重庆大学Carbon：基于窄带隙半导体纳米颗粒修饰多级碳结构的新型太阳能热蒸发装置

共同第一作者：耿阳，张可榛；

通讯作者：李猛，孙皖，孙宽；

通讯单位：重庆大学能源与动力工程学院

课题组：柔性能源材料与器件研究组（La FREMD）

论文DOI：10.1016/j.carbon.2019.08.055

课题组网站：https://www.x-mol.com/groups/LaFREMD

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本研究设计了一种基于窄带隙半导体纳米颗粒修饰多级碳结构的低成本，易携带，高效率的新型太阳能热蒸发装置，可有效应用于海水淡化领域。通过构造窄带隙半导体纳米颗粒修饰由碳纳米线阵列生长的碳毡构成的多级碳结构复合材料，提高其比表面积，增强光吸收能力，作为太阳能热转化材料在1 SUN的光照下展示出极高的能量转化效率（~91%）和优秀的蒸发速率1.316 kg m^-2 h^-1，其优异的体积蒸发率也大大提高了便携性与成本效率；并且该材料与低热导率的聚乙烯泡沫（内嵌1维水通道）构成双层结构能有效减少热损失，优化热管理。本研究还首次使用模拟方法定量探究了水输运在界面光热系统中与一维水通道的孔隙率关系，为精确控制水输运提供了依据。

背景介绍

随着人口问题和环境污染问题的日益严峻，淡水短缺成为世界各国面临的重要难题。近几年来，太阳能驱动的界面蒸汽发生技术由于其低碳环保，不需要额外能源输入等特性，引起了广泛的关注，为清洁水生产开辟了一条节能新途径。迄今为止，许多工作研究了不同类型的太阳能热转换材料如等离激元纳米金属材料、碳材料和半导体等，致力于提高材料的能量转化效率和降低能量损失。然而，太阳能热转化材料的成本控制和材料便携性仍是其进一步实际应用面临的挑战。太阳能热转化材料的体积蒸发效率是评价其便携性与成本效率的重要指标，更高的体积蒸发效率意味着材料更轻薄、更紧实、更适用于便携的移动装置，但是在绝大部分工作中，体积蒸发效率却鲜有提及。此外，在界面蒸汽发生系统中一维水通道中的水输运对蒸发速率的定量影响仍不够明确，需要进一步研究。

研究出发点

有鉴于此，重庆大学柔性能源材料与器件研究组的李猛副教授在光热转化领域创新提出体积蒸发速率的概念。在重庆大学-新加坡国立大学新能源材料与器件联合实验室的平台支持下，研究组将碳基材料与半导体材料相结合，通过电化学沉积与碳化的方法在碳毡上生长碳纳米线构筑多级碳结构，并选择窄带隙（0.1 eV）半导体纳米颗粒对其进行修饰，进一步提升能量转化效率。对该太阳能热转化材料的能量转换效率，体积蒸发速率等方面进行研究。课题组与重庆大学能源与动力工程学院孙皖博士合作，使用模拟计算的研究方法探究了界面光热蒸汽发生系统中一维水通道的水输运与蒸发速率的关系。

图文解析

图1. 材料制备工艺及太阳热转化机理。

作者首先说明了设计材料的制备工艺及太阳热转化机理如图一。由于半导体的带隙小(0.1 eV)，受光后产生大量激发的电子空穴对，随后以热(声子)的形式通过非辐射弛豫过程释放能量。类似地，碳基材料(CA/CF)中的太阳能吸收涉及电子的激发及其随后的弛豫。作者通过两步法制备复合材料：（1）通过电沉积和灼烧在碳毡上形成碳纳米线阵列得到多级碳结构（CA/CF）；（2）通过水热法在CA/CF上生长半导体纳米颗粒。

图2. (a)蒸发系统在1 kW m^-2太阳照射下的质量随时间的变化；(b)不同光强下的效率；(c)不同厚度的材料面积蒸发速率(左侧轴)和相应的体积蒸发速率(右侧轴)；(d) 制备材料体积性能与以往在1 SUN下的报告中材料体积性能对比；(e)隔热层装置和直接接触装置的红外照片，从左到右显示了照射前后30 min的温度分布；(F)隔离配置装置和直接接触配置装置的质量变化。

如图2所示，所设计材料具有优异的太阳能热转化性能，蒸发速率与纯水相比提高了5倍，并且在不同的太阳辐照下能量转化效率能保持稳定。值得注意的是，相较于以往的工作本研究中设计材料的体积蒸发率有较明显的优势，展示出轻薄、便携的特点，有利于材料进一步投入到实际应用中。

图3. 太阳蒸汽发生器性能的数值计算。(a)太阳蒸汽发生器的数学模型。该模型包括两个主要部分：水的输送和水的蒸发。输运过程和蒸发过程分别服从动量守恒和能量守恒。(b)在不同太阳照度(0.5、0.75、1.0、1.25 SUN)下，一维水通道的计算蒸发率与孔隙率之间的关系。(c) 1 SUN照射下碳毡的蒸发率和输运率与孔隙率的计算值。红线和绿色三角形符号分别表示直接接触/隔热层装置的蒸发速率。

实际上在隔热层装置系统中除了隔热层外，还有许多影响蒸发性能的关键因素，如一维水通道的孔结构。如图3所示，作者对系统构建数学模型，通过模拟计算定量探究了一维水通道的水运输，蒸发速率与空隙率间的关系，提出了水通道的最佳孔隙率范围（0.3–0.73），为后续工作中精确控制水输运提高蒸发速率提供理论依据。

总结

在本工作中，作者报告了一种基于窄带隙半导体纳米颗粒修饰多级碳结构的低成本，易携带，高效率的新型太阳能热转化材料应用于太阳能海水淡化。所设计的窄带隙半导体修饰的多级碳结构材料太阳光吸收率可达99%。在1 SUN光强的太阳照射下，水蒸发速率为1.316 kg m^-2 h^-1，能量转化效率高达91.0%，是纯水(0.23 kg m^-2 h^-1)的6倍。更重要的是，其体积蒸发速率高达658 kg m^-3 h^-1显示出其便携性和成本效益的优势。此外，模拟计算定量地揭示了隔热层装置下一维水路孔隙率与蒸发效率之间的关系。在1 SUN光强照射下，孔隙度在0.3~0.73范围内，蒸发速率可达到稳定的最大值。可见，所设计材料具有低材料成本、宽光谱吸收、高太阳热转换效率和良好的便携性等特性，是太阳能蒸汽发生系统中太阳能热转化材料的理想选择之一。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.08.055

本文由重庆大学柔性能源材料与器件研究组供稿。

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