哈尔滨工业大学（深圳）邓大祥课题组Nano Energy：多尺度CuS-rGO金字塔光热结构实现高性能太阳能同步界面水蒸发和温差发电

【研究背景】

太阳能驱动界面水蒸发技术利用光热效应吸收太阳能，实现高效海水淡化，具有高效率、低成本和节能环保等优点，应用前景广泛。在太阳能界面水蒸发基础上，可制成新型同步蒸发温差发电系统（IWETPGS），同时实现海水淡化和电能输出，进一步提高太阳能利用效率。然而，目前同步蒸发温差发电系统光热结构普遍为二维结构，光热材料单一，光热转换效率有限，且光热结构内部输水通道毛细压力有限，难以满足自发供水需求。因此，同时考虑光热管理和水输运，提出水热平衡的新型光热结构对于提升同步蒸发温差发电系统的海水淡化和产电性能至关重要。

为此，哈尔滨工业大学（深圳）邓大祥教授课题组从提高光热转换能力和水输运角度出发，研制了一种基于CuS-rGO复合材料的多尺度金字塔光热结构，以期提升同步蒸发温差发电系统水蒸发速率和发电效率。该新型多尺度金字塔光热结构，包括毫米尺度的三维金字塔阵列结构、微尺度的梯度多孔铜泡沫、微/纳尺度CuS纳米线和还原氧化石墨烯（rGO）复合光热材料。其中金字塔阵列结构可以促进光线的多次反射和吸收，同时具有更大的蒸发面积；CuS-rGO复合光热材料具有rGO的宽光谱吸收能力和CuS的适中的带隙能级、高光吸收特性的优点，展现了超高的光热转换效率；梯度多孔金属泡沫结构加快了水输运，顶部的小孔隙提供了更大的毛细压力保证海水的输运高度和持续供应能力；底部的大孔隙降低了海水的流动阻力，保证了海水的供应量以及促进盐分的自迁移溶解。此外，将多尺度光热结构与温差发电片（TEG）结合，实现同步蒸发和温差发电；并利用高效微通道强化温差发电片冷端散热能力，实现高效热管理，显著提升了发电性能。

相关内容以“Multi-scale CuS-rGO pyramidal photothermal structure for Highly Efficient Solar-Driven Water Evaporation and Thermoelectric Power Generation”为题在国际能源领域著名期刊《Nano Energy》(中科院一区TOP，IF= 17.6) 上发表。文章唯一通讯作者为哈尔滨工业大学（深圳）邓大祥教授，第一作者为哈尔滨工业大学（深圳）/新加坡南洋理工大学联合培养博士生曾龙。

【图文速览】

图1基于多尺度CuS-rGO金字塔光热结构的同步蒸发温差发电系统示意图。该三维金字塔结构由微尺度梯度多孔铜泡沫和微/纳米尺度CuS-rGO复合材料组成。其中，三维金字塔促进了光的捕获和吸收，梯度多孔金属泡沫加速了水输运。微纳米尺度的CuS-rGO复合光热材料结合了rGO碳材料的宽光谱吸收能力和CuS半导体材料适中的带隙能级、高光吸收特性。

图2 CuS-rGO复合光热材料的制备与表征：a)CuS-rGO复合光热材料的制备示意图；b)CuS-rGO复合光热材料扫描电镜图；c)CuS纳米线和rGO的TEM图；d)GO和rGO的拉曼图谱图；e)GO和rGO的傅立叶变换红外图谱；f)CF、rGO/CF、CuS/CF、CuS-rGO/CF的XRD图谱。

图3多尺度CuS-rGO金字塔光热结构的光热转换性能。a)CF、rGO/CF、CuS/CF、CuS-rGO/CF光热材料的透射率和反射率；b)CF和CuS-rGO/CF光热材料的光反射和透射示意图；c)CF、rGO/CF、CuS/CF、CuS-rGO/CF光热材料的吸收率；d)CF、rGO/CF、CuS/CF、CuS-rGO/CF光热材料在光热转换过程中的温度变化；e)CuS-rGO/CF复合光热材料的光热转换机理示意图。

图4多尺度CuS-rGO金字塔光热结构的太阳能水蒸发性能。a)CuS-rGO金字塔光热结构的光热水蒸发过程示意图；b)CF和CuS-rGO/CF金字塔光热结构蒸发过程的温度分布仿真结果；c)基于不同光热材料的8×8阵列金字塔光热结构在一个光强下的水蒸发量；d)不同金字塔阵列的CuS-rGO光热结构在一个光强下的水蒸发量；e)不同金字塔阵列（平面、4×4阵列、6×6阵列和8×8阵列）的CuS-rGO光热结构的光捕获示意图，"N"表示反射次数；f)光照1小时后不同金字塔阵列的CuS-rGO光热结构的温度分布；g)不同孔分布的CuS-rGO金字塔光热结构在一个光强下的水蒸发量；h)在1-4个光强下CuS-rGO金字塔光热结构的蒸发率；i)CuS-rGO金字塔光热结构的循环蒸发性能。

图5多尺度CuS-rGO金字塔光热结构的热发电性能。a)1-4个标准太阳光强下温差发电片两端温度差随时间变化情况；b)1-4个标准太阳光强下温差发电片输出功率随时间变化情况；c)不同冷却方式下同步蒸发温差发电系统（IWETPGS）的示意图；d)翅片冷却和微通道冷却下IWETPGS的输出功率对比；e)不同太阳光强和冷却水温度下同步蒸发温差发电系统的最大输出功率；f)IWETPGS驱动风扇的旋转；g)1个和4个标准太阳光强下IWETPGS温差稳定性能；h) 1个和4个标准太阳光强下IWETPGS输出功率的稳定性能；i)CuS-rGO金字塔光热结构与近年来报道=其他光热结构的的水蒸发率和输出功率对比。

图6太阳能驱动水电联产室外实验。a)室外太阳能驱动水电联产实验装置照片；b)一天内太阳辐照度、空气湿度和空气温度的变化情况；c)系统输出功率、电流和电压的变化；d)蒸发前海水和蒸发后淡水离子浓度的变化。

【文章总结】

本文从提高光热转换能力和水输运角度出发，提出并制备了基于CuS-rGO复合材料的多尺度金字塔光热结构，实现了同步蒸发温差发电系统水蒸发速率和发电效率的提升，为太阳能高效水电联产提供了新的方式。

1、CuS-rGO金字塔光热结构可以促进光线的多次反射和吸收、具有rGO的宽光谱吸收能力和CuS的适中带隙能级、高光吸收特性的优点，展现了超高的光热转换效率，高达97.6%。

2、梯度多孔金属泡沫加快了水输运，顶部的小孔隙提供了更大的毛细压力保证海水的输运高度和持续供应能力；底部的大孔隙降低了海水的流动阻力，保证了海水的供应量以及促进盐分的自迁移溶解。

3、将多尺度光热结构与温差发电片（TEG）结合，实现了同步水蒸发和热发电。并利用高效微通道强化温差发电片冷端散热能力，实现高效热管理，显著提升了发电性能。在一个标准太阳光强下，该同步蒸发温差发电系统蒸发速率达到了2.29kg/m²h，最大输出功率也高达1.32W/m²，处于行业领先水平。

4、通过搭建自动追踪户外水电联产原型机，实现了太阳能水电联产，平均日产水量为12.1kg/m²，最大发电量为5.55W/m²，为偏远地区的淡水和电力同时供应提供了可行的方式。

【研究团队】

邓大祥教授

通讯作者邓大祥，哈尔滨工业大学深圳校区机电工程与自动化学院教授、博导。主要从事功能微结构与器件制造、微细切削与特种加工、太阳能海水淡化、高效散热冷却等研究。爱思唯尔中国高被引学者、广东省杰青获得者。主持国家部委、国家自然科学基金（3项）等国家、省部级项目10多项，参与国自然-广东省联合基金重点等项目多项。获全国上银优秀机械博士论文（铜奖）、中国刀协切削研究会青年新秀奖、省、市优秀学术论文奖等奖励。兼任中国机械工程学会生产工程分会、极端制造分会专委会委员，担任3本国际SCI期刊专题编辑，多次受邀担任ASME国际权威会议分会主席。在Int. J. Mech. Sci.、J. Mat. Process. Tech.、Nano Energy、Int. J. Heat Mass Transfer等发表SCI论文近70篇，SCI他引2000多次，H因子28，授权专利40余项，第一发明人授权发明专利20项。更多介绍：http://faculty.hitsz.edu.cn/dengdaxiang

曾龙

第一作者曾龙，哈尔滨工业大学（深圳）机电工程与自动化学院在读博士生，新加坡南洋理工大学联合培养博士生。主要从事太阳能海水淡化、光热界面蒸发结构设计与制造、强化传热等方面研究。博士期间已以一作或除导师外一作发表SCI 论文5篇（均为中科院一区/二区Top期刊），EI论文一篇。

【文献来源】

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109531

引用：Long Zeng, Daxiang Deng*, Linye Zhu, Zhenkun Zhang, Xin Gu, Huiming Wang, Yujie Jiang. Multi-scale CuS-rGO pyramidal photothermal structure for Highly Efficient Solar-Driven Water Evaporation and Thermoelectric Power Generation. Nano Energy 125 (2024) 109531.