古老的蒸汽机 or 现代太阳能蒸汽动力？

水蒸发作为一种自然界基本现象，包含在细胞新陈代谢到气候变化的各种现象中。自第一次工业革命到现代工业一直扮演着重要角色，从蒸汽机带动火车、蒸汽机带动工厂设备到现在的相变储能、蒸汽发电、水净化以及散热等等。但目前水蒸汽产生所需的能量主要是通过化石燃料的燃烧来提供，这既会浪费能源有会产生对环境有害的副产品^[1]。因此，利用太阳能进行水的净化、水蒸汽发电等活动在现代工业过程中具有十分重要的意义，光热转化材料的研究、加快水蒸发材料结构的设计与研究也就变的迫在眉睫。今天就和大家一起来看一下相关的研究。

1、材料在太阳能量收集方面的研究

利用太阳能使水变成蒸汽的过程，最关键最基础的一步是光能到热能的转化。可以吸收太阳能完成这一使命的材料有很多，包括半导体颗粒材料、聚合物材料、碳材料、等离子体材料等等。

1.1 Advanced Materials: 窄带隙Ti₂O₃纳米颗粒的高性能光热转化

半导体材料因其高可调能带和内在热化过程而得到广泛应用，陈晓东课题组提出了一种三价钛离子的半导体材料Ti₂O₃用于吸收太阳能量^[2]，该材料具有0.09eV左右的超小能带间隙，因而表现出极好吸收性能，吸收率最高可达92.5%。相关研究以“High-Performance Photothermal Conversion of Narrow-Bandgap Ti₂O₃ Nanoparticles”为题发表在Advance Materials 上。

文献链接：

DOI：10.1002/adma.201603730

图1 窄带隙Ti₂O₃纳米颗粒在蒸发水分方面的性能

1.2 Advanced Materials: 应用于肿瘤细胞热消融的高光热转化效率的聚吡咯纳米颗粒

除了利用超窄带隙的半导体材料吸收太阳能量，合成的共轭聚合物，具有共轭π键，呈现出与半导体材料类似的可调能带间隙的性质。戴志飞课题组合成了一种聚吡咯纳米颗粒^[3]，该材料具有良好的光稳定性，同时近红外的吸收能力强，光热转换效率远远高于目前已知的金纳米棒。相关研究以“Uniform Polypyrrole Nanoparticles with High Photothermal Conversion Effi ciency for Photothermal Ablation of Cancer Cells”为题发表在Advance Materials 上。

文献链接：

DOI：10.1002/adma.201202211

图2 聚吡咯纳米颗粒对光的吸收性能

1.3 Advanced Materials: 用于灵活高效太阳能-热能转换的自组表面结构多层聚吡咯纳米片

太阳能的收集要求材料具备太阳能-热能转化能力之外，还需要通过微米和纳米结构增强光能的吸收以提升能量的转化效率。一方面可以通过降低材料的透射率和反射率来提高材料的光热转化效率；另一方面，可以通过增加光在材料中的光程，也就是增加光在材料中的传播距离来尽可能多的吸收能量。徐航勋课题组提出了一种自组表面多层聚吡咯纳米片结构来提高光热的转化效率^[4]，利用该结构的光热转化效率高达95.33%。相关研究以“Multilayer Polypyrrole Nanosheets with Self-Organized Surface Structures for Flexible and Efficient Solar–Thermal Energy Conversion”为题发表在Advance Materials 上。

文献链接：

DOI：10.1002/adma.201807716

图3 自组表面结构多层聚吡咯纳米片的转化效率

1.4 ACS Applied Materials & Interfaces: 用于高性能太阳能蒸汽发电的耐用低成本火焰处理木材

太阳能转化后的能量主要有三部分去处，为水分蒸发提供能量、材料辐射能量损失和系统散射给周围环境的能量。由于吸收能量的主要目的是获得蒸汽动能，因此第一部分能量的多少决定了系统的能量使用效率，通过材料改善和结构设计提高传递到水表面的能量是一个行之有效的方法。周军课题组设计了一种经过火焰处理后的木材^[5]，该木材有超高的太阳吸收率约99%，低导热系数0.33W/m²，同时木材具有较好的亲水性，可以将能量有效的传递给水。在太阳强度为1kW/m²时，热效率可达72%。相关研究以“Robust and Low-cost Flame-Treated Wood for High-Performance Solar Steam Generation”发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

文献链接：

DOI：10.1021/acsami.7b01992

图4 耐用低成本火焰处理木材

2、材料在水热交换管理方面的研究

2.1 Energy & Environment Science：利用漂浮吸光磁粒子增强太阳能蒸发

具备足够的水蒸发能量后，要想使水蒸气的不断产生并且提供持续的动力，需要在水蒸气的蒸发表面保持较低的水蒸气含量，使蒸发表面不断提供水分子。与此同时较低的水蒸气含量还可以减少包括对流、辐射等的热量损失。在空气-水的界面提供一种漂浮的光热材料是一种很好的解决方案。王焕庭课题组合成了一种漂浮在水表面的Fe₃O₄/C磁纳米颗粒^[6]，借助于此，在太阳蒸发量为3.5%的海水中，磁纳米颗粒使水的蒸发量提高了2.3倍。相关研究以“Solar evaporation enhancement using floating light-absorbing magnetic particles”发表在Energy & Environment Science上。

文献链接：

DOI：10.1039/c1ee01532j

图5  Fe₃O₄/C磁纳米颗粒提升水的蒸发

2.2 Nature communications: 阳光下加热与无接触蒸汽的产生

进行光热转化的材料与水接触时，会增加水与材料之间的热传导，这样会浪费能量同时使得蒸汽温度在沸点附近固定。在海水淡化等的工业应用上，还会使得水与结构接触产生污垢等问题。陈刚课题组提出了一种不与水接触的太阳能结构蒸发水分^[7]，在不加压1光照度下，蒸汽温度达到了133℃。相关研究以“Contactless steam generation and superheating under one sun illumination”发表在Nature Communication上。

文献链接：

DOI：10.1038/s41467-018-07494-2

图6 不接触水的太阳能蒸汽驱动结构

2.3 Nature Nanotechnology：高效太阳能蒸汽产生的分层次纳米结构凝胶

在提高光热转化效率之后，还需要快速将能量传递给水，才能使得水蒸气的加速产生。余桂华课题组提出了一种分层次的纳米结构凝胶^[8]，该结构可以使得水向四面八方各个方向流动，水的无规则运动加速了能量的传递，同时也就加速了水蒸气的产生。该研究表明，一个漂浮的样品可以利用94%的太阳辐照能量达到3.2kg/m²/h的水分蒸发速率，一平方米的样品每天可以净化18-23升水。相关研究以“Highly efficient solar vapour generation via hierarchically nanostructured gels”发表在Nature Nanotechnology上。

文献链接：

DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-018-0097-z

图7 分层次纳米结构凝胶加速水的蒸发

2.4 Journal of Material Chemistry A: 利用3D光热锥结构对高效太阳能驱动的水蒸发进行光收集和热管理

加速水蒸发的根本措施就是将光热转化的能量快速传递给水，因此除了增加水的流动措施以外，可以通过热管理的方法提升界面之间的能量传递效率。江河清课题组提出了一种3D光锥结构^[9]，该结构涂有聚吡咯图层，在整个太阳光谱中吸光度可达99.2%媲美黑体，同时减小光锥与水面之间的接触，保证热量通过界面进行加热。单次光照条件下，太阳光照转换效率可达93.8%，约为平面转换薄膜的1.7倍。相关研究以“Improved light-harvesting and thermal management for efficientsolar-driven water evaporation using 3D photothermal cone”发表在Journal of Material Chemistry A上。

文献链接：

DOI：10.1039/C8TA01469H

图8 3D光热锥结构用于水的界面加热

3、材料在水活化、降低蒸发所需能量方面的研究

Science Advances: 构建高水合聚合物网络调整状态以用于太阳能水净化

通过研究太阳能量的吸收、水热交换的管理可以提升水的蒸发，相应的通过研究水的分子结构也可以提高水的蒸发速率。水的固、液、气三态本质上是分子键的连接方式不同，能量交换就是打破分子键或形成分子键进行三态变化，通过活化水分子，使得分子键更容易打破也是一种提升水蒸发速率的途径。余桂华课题组提出了构建高水合聚合物网络来调整水的状态进行水蒸发速率的提升^[10]，他们介绍了一种高水合性吸光水凝胶，通过提高氢水合物的水活性改变水的状态和部分的激活水，从而促进水蒸发，结果表明蒸发相同的水需要更少的能量。相关研究以“Architecting highly hydratable polymer networks to tune the water state for solar water purification”发表在Science Advances上。

文献链接：

DOI：10.1126/sciadv.aaw5484

图9 高水合性吸光水凝胶活化水分子

参考文献：

[1] F. Zhao, Y. H. Guo, X. Y. Zhou, W. Shi and G. H. Yu, “Materials for solar-powered water evaporation,” Nature Reviews Materials,

[2] J. Wang, Y. Y. Li, L. Deng, N. N. Wei, Y. K. Weng, S. Dong, D. P. Qi, J. Qiu, X. D. Cheng and T. Wu. “High-Performance Photothermal Conversion of Narrow-Bandgap Ti2O3 Nanoparticles.” Advanced Materials, 2017, 29(3):1603730.1-1603730.6.

[3] Z. B. Zha, X. L. Yue, Q. S. Ren and Z. F. Dai, "Uniform Polypyrrole Nanopartides with High Photothermal Conversion Efficiency for Photothermal Ablation of Cancer Cells." Advanced Materials 25.5(2013):777-782.

[4] X. Wang, Q. C. Liu, S. Y. Wu, B. X. Xu and H. X. Xu, "Multilayer Polypyrrole Nanosheets with Self-Organized Surface Structures for Flexible and Efficient Solar-Thermal Energy Conversion. " Advanced Materials (2019).

[5] G. B. Xue, K. Liu, Q. Chen, P. H. Yang, J. Li, T. P. Ding, J. J. Duan, B. Qi and J. Zhou, "Robust and Low-Cost Flame-Treated Wood for High-Performance Solar Steam Generation." Acs Applied Materials & Interfaces (2017).

[6] Y. Zeng, J. F. Yao, B. A. Horri, K. Wang, Y. Z. Wu, D. Li and H. T. Wang, "Solar evaporation enhancement using floating light-absorbing magnetic particles." Energy & environmental ence 4.10(2011):p.4074-4078.

[7] T. A. Cooper, S. H. Zandavi, G. W. Ni, Y. C. Tsurimaki, Y. Huang, S. V. Boriskina and G. Chen, "Contactless steam generation and superheating under one sun illumination." Nature Communications 9.1(2018).

[8] F. Zhao, X. Y. Zhou, Y. Shi, X. Qian, M. Alexander, X. P. Zhao, S. Mendenz, R. G. Yang, L. T. Q and G. H. Yu, "Highly efficient solar vapour generation via hierarchically nanostructured gels." Nature Nanotechnology(2018).

[9] Y. C. wang, C. Z. Wang, X. J. Song, M. H. Huang, S. K. Megarajan, S. F. Shaukat and H. Q. Jiang, "Improved light-harvesting and thermal management for efficient solar-driven water evaporation using 3D photothermal cone." Journal of Materials Chemistry A(2018):10.1039.C8TA01469H.

[10] X. Y. Zhou, F. Zhao, Y. H. Guo, B. Rosenberger, G. H. Yu, "Architecting highly hydratable polymer networks to tune the water state for solar water purification." Science Advances 5.6(2019):eaaw5484.

本文由巴赫供稿。

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