马里兰大学胡良兵Adv. Funct. Mater.：高效的介孔木质太阳能蒸汽发生装置

Meadow 7年前 (2018-02-28) 8608浏览

【引言】

淡水短缺即将成为全球范围内的重大挑战，太阳能的丰富性使得太阳能蒸汽发电成为海水淡化和水净化最有前途的技术之一。为了提高太阳能蒸汽发电的性能，考虑到三个主要因素，包括太阳能接收效率、热管理功能以及流体的输送和蒸发。先前演示的具有高蒸汽发生效率的太阳能蒸汽装置通常需要复杂的制造工艺和高材料成本，限制了其广泛应用。为了大规模的进行水处理，需要继续寻求经济高效的解决方案。

【成果简介】

近日，美国马里兰大学胡良兵教授（通讯作者）等人于2018年2月21日发表在期刊Advanced Functional Materials上发表了研究成果“Scalable and Highly Efficient Mesoporous Wood-Based Solar Steam Generation Device: Localized Heat, Rapid Water Transport”。太阳能蒸汽发生装置的设计是通过纳米级通道在木材中进行跨平面水输送，热传输方向被解耦以减少传导热损失。在1 个太阳下达到80％的高蒸汽发电效率，在10个太阳下实现89％的高蒸汽发电效率。垂直于介孔木材的交叉板可以通过凹洞和螺旋提供快速的水输送。纤维素纳米纤维在凹洞周围呈圆形分布，并沿着螺旋高度对齐以将水穿过内腔。同时，利用介孔木材的各向异性导热，可以提供比超绝热聚苯乙烯泡沫塑料（≈0.03W m^-1 K^-1）更好的绝缘性能。木材在横向方向呈现出0.11 W m^-1 K^-1的热导率。太阳能蒸汽发生装置在太阳能辐照度下具有成本效益和大规模应用的前景。

【图文解读】

图1太阳能发电设备示意图

a）可扩展器件制造过程的示意图；

b）介孔木材的SEM图像；

c）石墨涂覆木材的太阳能蒸汽产生机理。

图2 木质管腔的SEM图像

a）排列的木质管腔的SEM图像；

b）管腔壁上的凹洞和螺旋的SEM图像，有利于水的交叉传输；

c）木质管腔上分布的微小的洞和螺旋；

d）纳米纤维在凹洞周围以圆形方式分布，并沿着螺旋高度对齐以将水穿过内腔；

e）随着时间的流动高度，前10秒内流速约为0.5毫米/秒。插图：木材横向的流体运输；

f）三维介孔椴木结构中管腔的水流运动轨迹，以速度大小着色。

图3 石墨木材和未涂布木材的对照实验

a）木材上涂覆石墨的SEM图像表明涂层厚度为约50μm；

b）石墨木材太阳能蒸汽发生装置的照片；

c）干木材沿着管腔方向的热导率。由于纤维素纤维之间存在边界，横向平面可以大大减缓热流动；

d）预浸木材的导热性；

e）干燥木材中交叉平面运输和平面运输的温度分布图；

f）石墨涂布的木材和未涂布的木材样品之间的吸光度比较；

g）石墨和木材的热容量；

h）石墨木材和未涂布木材的温度分布。

图4 垂直切割的木材与聚苯乙烯泡沫塑料的导热性对比实验

a）当顶面通过导热膏与传导热源直接接触时，测量背面温度。聚苯乙烯泡沫塑料表现出低至0.03 Wm^-1 K^-1的各向同性导热率，而垂直切割的木材在图中所示的两个方向上呈现0.11 W m^-1 K^-1和0.35 W m^-1 K^-1的各向异性热导率；

b）由于各向异性的导热性，垂直切割木材的热电偶侧的温度低于另一侧相同热源下的聚苯乙烯泡沫塑料的温度。

图5 不同的太阳因素下的相关实验

a）将样品切成正方形并放置在类似宽度和长度的容器中，以便在测试时最小化水表面的蒸发；

b）1 个太阳条件下石墨木材的原位温度变化；

c）1 个太阳条件下的蒸发率；

d）1个太阳条件下的表面温度；

e）1个太阳条件下石墨涂覆木材的循环性能；

f）变化的太阳因素下稳定的蒸发速率；

g）变化的太阳因素下稳定的表面温度；

h）不同的太阳因素下相应的效率。

【小结】

研究展示了一种高效、可扩展的太阳能蒸汽发生装置，该装置由喷涂石墨的介孔椴木块组成。研究首次将流体输送方向和热传递方向分开。利用介孔木材的各向异性导热系数进一步提高了水分蒸发界面的温度，减少了大量水分的传导热损失。石墨层在300至2000纳米波长的光下表现出> 95％的宽带吸光率，可以在蒸汽生成界面处将光能转换为热能。由于木质基体的低导热性，转换后的热能被限制在石墨层的薄层内。该装置在一个太阳条件下，其蒸发速率为1.15 kg m^-2 h^-1，水蒸气界面温度为38°C，效率为80％左右。在具有放大能力的生物材料系统中，转换效率更高。太阳能蒸汽发生装置具有高成本效益，在海水淡化和废水处理等方面具有实际的应用前景。

文献链接：Scalable and Highly Efficient Mesoporous Wood-Based Solar Steam Generation Device: Localized Heat, Rapid Water Transport （Adv. Funct. Mater.，2018，DOI: 10.1002/adfm.201707134）

团队介绍：胡良兵老师的团队广泛利用木头做能源领域的应用，包括：透明木头、超强木头, 以及最近发表的用木头做太阳能蒸汽的应用等等。

【相关优质文献推荐】

透明木头：

Highly Anisotropic, Highly Transparent Wood Composites （Adv. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adma.201600427）

Wood Composite as an Energy Efficient Building Material: Guided Sunlight Transmittance and Effective Thermal Insulation（Adv. Energy Mater. ，2016，DOI: 10.1002/aenm.201601122）

Building materials: Transparent wood（Nat. Energy，2016，doi:10.1038/nenergy.2016.164）

超强木头：

Processing bulk natural wood into a high-performance structural material（Nature，2018，doi:10.1038/nature25476）

太阳能蒸汽:

Scalable and Highly Efficient Mesoporous Wood-Based Solar Steam Generation Device: Localized Heat, Rapid Water Transport（Adv. Funct. Mater.，2018，DOI: 10.1002/adfm.201707134）

Plasmonic Wood for High-Efficiency Solar Steam Generation（Adv. Energy Mater.，2017，DOI: 10.1002/aenm.201701028）