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今日Joule: 馬里蘭大學胡良兵團隊綜述與展望:太陽—水—能源

1月
30
2019

2019年1月30日03時 今日科學 知社學術圈

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雖然地球上水資源非常豐富,但是其中絕大部分是不可直接飲用的海水及受污染的湖水、河水、地下水等。飲用水短缺已經成為越來越嚴峻的全球性問題。在欠發達地區,這個問題尤為嚴峻。為了解決飲用水短缺問題,當今的科學家也在不斷努力。

在所有的水凈化技術中,太陽能輔助水蒸發技術由於能量來源只有太陽能、對設備要求不高,一直深受科研人員的青睞。特別是在解決邊遠欠發達地區飲用水短缺方面展現出很好的前景。另外,太陽能輔助水蒸發技術在產電、產燃料、殺菌等領域也有廣泛的應用前景。即使現代太陽能輔助水蒸發技術已經被廣泛研究,但是成本低、能效高、規模化且具有良好穩定性的太陽能輔助水蒸發器的設計仍然是全球性的難題。

隨著近十年在太陽能輔助水蒸發相關的吸光材料、熱管理及水傳輸等領域的突破性進展,太陽能輔助水蒸發的實用化出現轉機並再次成為研究熱點1-2。在與本文第一作者陳朝吉博士和通訊作者胡良兵教授交流之後,今天小編幫大家分析一篇昨天發表在Joule期刊上的太陽能輔助水蒸發技術的綜述與展望論文3,為相關的材料學家、化學家、熱科學家、水環境專家提供研究參考。

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研究背景

飲用水資源短缺仍然是本世紀亟需解決的全球性問題之一。太陽能輔助水蒸發技術由於以太陽能為唯一能量來源且對設備要求較低,成為備受關注的凈化水技術之一。但是長期以來太陽能輔助水蒸發系統由於對整個水體加熱導致熱量損失較大,效率較低(通常低於40%)。隨著近年來相關的材料、器件及系統的重大創新,特別是納米技術推進光熱材料的快速發展及介面太陽能輔助水蒸發系統的發展,太陽能輔助水蒸發技術再次引起了廣泛關注,科學家紛紛預言這項技術即將走入尋常百姓家。

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內容簡介

日前,來自馬里蘭大學的胡良兵教授團隊基於課題組近年來的太陽能輔助水蒸發研究4~8,聚焦太陽能輔助水蒸發技術做了一項及時的綜述與展望研究,在Joule上發表了題為「Challenges and Opportunities for Solar

Evaporation」的綜述文章。該文從歷史和技術兩個角度出發,全面描述了不同吸光材料和基體材料的工作原理與設計原則、太陽能輔助水蒸發的材料與結構設計策略、太陽能輔助水蒸發的應用,並針對該領域尚存的技術挑戰及可能的解決思路和方向進行了深入討論。為相關領域的學者、甚至只是對該技術感興趣的一般公眾提供了一個快速了解該技術進展及未來發展趨勢的參考。

該文首先從材料光熱轉化機制的角度出發,總結了三種不同的光熱轉化機制:等離子體局部加熱,電子空穴生成和弛豫,以及分子的熱振動。基於這三種不同的光熱轉化機制,人們發展了等離子體金屬納米顆粒、半導體材料、碳材料、聚合物材料等吸光材料。除了吸光材料,人們還發展了許多具有隔熱及傳水功能的基體材料。該文進一步對太陽能輔助水蒸發材料和結構的工程和設計策略進行分析和總結,重點闡述了吸光材料和結構設計、熱管理和熱集中結構設計、水傳輸結構設計、介面設計、仿生結構設計、三維吸光結構設計、除鹽結構設計及理論模擬策略等。接著,該文總結了太陽能輔助水蒸發在海水淡化/污染水凈化/零排放水凈化、產電、產燃料、殺菌等領域的應用。

文章最後探討了太陽能輔助水蒸發技術進一步發展,特別是基礎研究和商業化應用面臨的一些挑戰,提出了未來的可能的發展方向。隨著太陽能輔助水蒸發技術的發展,特別是吸光材料、蒸發器結構、多學科交叉應用的快速發展,太陽能輔助水蒸發技術必將極大地擴展其應用領域並引起更廣泛關注,並有希望在下一個十年實現工業凈水、個人供水上的商業化應用,真正走進尋常百姓家。

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圖文解析

圖1.一種典型的介面太陽能輔助水蒸發器結構和組成:吸光材料、基體、水體、入射太陽光、水蒸氣、水蒸氣冷凝及收集裝置(沒有包含在此圖)。

一種典型的介面太陽能輔助水蒸發器通常由吸光材料、基體、水體、入射太陽光、水蒸氣、水蒸氣冷凝及收集裝置等部分組成。對吸光材料的設計原則是實現高的寬頻吸收和高效的光熱轉化。而基體結構則需要實現良好的隔熱和傳水。採取不同的策略,可以優化吸光、熱管理、水傳輸和蒸發、材料和結構穩定性等,從而得到優異的蒸發性能。

材料的選擇

圖2. 各種光熱材料(光吸收劑)的光熱機制。(A)等離子體加熱,(B)電子-空穴產生和弛豫,和(C)分子的熱振動。

在過去的十年中,人們一直在研究在太陽光譜範圍內具有高光吸收的光熱材料。光熱材料能夠吸收入射光並通過光激發將其部分或完全轉化為熱量,其中移動載體由光誘導電場驅動並獲得能量,轉化為熱能(熱)。這種光熱效應可以在各種材料中廣泛觀察到,如等離子體金屬,半導體,碳質材料,聚合物,及其雜化物。它們的光熱機制可以分為三大類,即等離子體局部加熱,電子空穴生成和弛豫,以及分子的熱振動。

材料與結構設計策略

圖3. 調節光熱材料的光吸收和/或光熱轉換的代表性策略。

在整個太陽光譜範圍內實現高光吸收的材料和結構設計以及高效的光熱轉換是邁向高性能太陽能蒸發裝置的第一步。如圖3a所示,地球表面的分布式太陽能覆蓋了300 nm至2.5μm的寬波長範圍,由三部分組成:紫外區域(300-400

nm,約占總能量的3%),可見光區域(400-700nm,占總能量的~45%),以及紅外區域(700nm-2.5μm,占總能量的~52%)。理想的光吸收材料和結構設計應能夠在整個太陽光譜中最大限度地吸收太陽能。近年來人們提出各種材料和結構工程策略以有效地增強多功能光熱材料中的光吸收和/或光熱轉換。其中一些代表性的策略,包括:1)調整光吸收體的微結構,以實現入射光的多次散射和最小化透射率和反射;

2)通過原子摻雜調整半導體的能帶結構,以實現更寬波長範圍的光吸收和更高效的光熱轉換;3)在寬範圍的分布上調整等離子體納米顆粒的尺寸和/或形狀,以實現多波長光吸收(圖3b-d)。

圖4. 通過熱定位的高性能太陽能蒸發器。

熱管理在太陽能蒸發系統中至關重要。通過材料和結構設計,通過傳導、對流和輻射最小化熱損失,可以提供高效的熱管理和蒸汽蒸發。熱結構設計有兩個一般設計原則:1)通過材料(包括吸光劑和基體材料)和熱結構工程設計從微觀尺度和宏觀尺度最小化熱損失;2)將產生的熱量定位在蒸發表面上,以實現高表面溫度和快速蒸發速率。在過去的十年中,致力於提高太陽能蒸發裝置的熱管理能力,並且大大提高了蒸發效率。Chen及其同事的熱定位設計代表了一種出色的熱結構設計,其中採用了雙層碳結構,吸光、親水、多孔膨脹石墨作為光吸收劑,絕緣,親水,多孔碳泡沫絕熱體(圖4),實現了熱在吸光劑-空氣介面的定位。

圖5. 3D,2D和1D水路設計。

水路設計是連續高效傳水的關鍵因素。在傳統的太陽能蒸發裝置中,3D隨機和互連的多孔結構使得水能夠從下面的儲層連續輸送到上部蒸發表面。在最近的一項研究中,通過將木材通道平行於水面放置,通過反向樹設計證明了自然製造的3D互連多孔結構(圖5a和5b)。這些具有豐富和開放孔的3D水通道設計促進水輸送,具有足夠的毛細作用作為驅動力。然而,開孔中的水的填充總是導致導熱率增加,這導致通過傳導到大量水而導致更多的熱量損失並且削弱熱定位效果。最近,朱等開發了一種二維水通道結構,將水輸送限制在包裹在PS泡沫絕熱體上的二維圓柱形表面(導熱係數:〜0.04

W m-1 K-1),從而同時實現高效供水和抑制熱量損失。在最近的一項研究中,同一課題組進一步將水路結構的維數從2D降低到1D,以進一步抑制熱量損失。1D和2D水路設計的一個共同特徵是隔熱結構與水輸送結構的分離。熱絕緣體中的孔設計成封閉的,以便最小化熱損失,同時水輸送結構中的孔是開放的,以便能夠充分和連續地輸送水。通過這種方式,可以平衡水運和隔熱之間的衝突需求。

圖6. 太陽能蒸發中的介面工程策略。

介面特性在太陽能蒸發系統中起著另一重要作用。介面最重要的特性是其潤濕性,這對水輸送,光吸收,裝置漂浮和穩定性很重要。親水介面(包括表面)對於通過毛細管泵送芯吸水是理想的,這是蒸發器和水傳輸結構的常見設計原理。然而,最近的一些研究表明,並非所有親水介面都有利於高效水蒸發,特別是對於頂部蒸發表面。在頂部蒸發表面上過於親水有時會導致多餘的水覆蓋頂部表面,從而導致更多的熱量損失並使維持連續的太陽能蒸發變得困難。

圖7. 雙層木基太陽能蒸發裝置的仿生設計。

自然是通過數十億年的進化為自然過程構建輝煌結構的最偉大的大師,這激發了許多研究領域的許多結構設計。例如,植物通常具有可以運輸的多通道結構從根部到上部樹幹的水和養分,然後在光合作用過程中使用。從材料的觀點來看,植物的纖維素主導的組分具有良好的親水性和低導熱性,這與良好開發的多通道結構一起都是太陽能蒸發裝置的理想特徵。自然發展的植物結構與太陽能蒸髮結構之間的相似性激發了各種仿生設計朝向高性能太陽能蒸發裝置。

胡等人和Singamaneni等人通過使用雙層木結構模仿樹木中發生的水蒸騰過程,貢獻了幾種開創性的樹木仿生設計。在一個典型的樹木仿生太陽能蒸發器設計中,胡等人將天然椴木膜在空氣中的熱板上表面碳化,以在頂部表面上構建薄的無定形碳層。當置於海水或濕沙中並被入射光照射時,黑色頂部表面充當光吸收劑,其迅速加熱並產生蒸汽。除了樹木,蘑菇、草和植物葉,也激發了太陽能蒸發的智能仿生結構設計,並展示了一些最佳性能。通過分析自然結構和更加集中地學習自然發生的行為,研究人員可以通過自然啟發的設計進一步推動太陽能蒸發材料和器件的發展。

圖8. 太陽能蒸發裝置的拒鹽結構設計。

儘管在開發新材料/結構設計方面已經取得了很大的進步並且效率提高,但介面太陽能蒸發仍未準備好用於實際應用,特別是由於其缺乏長期穩定性。伴隨連續蒸汽產生的最常見問題是在加熱介面處鹽的積累,這產生了兩個嚴重的問題:1)由於鹽沉積層的太陽反射增加而導致的太陽熱轉換減少;

2)阻塞供水路徑,這兩者都導致蒸發效率的顯著降低。響應鹽堵塞問題的常規方法包括反洗或物理去除,然而,這會中斷連續生產,導致操作成本增加和生產率降低。因此非常需要具有防污性能的新型太陽能吸收材料和具有防鹽性能的太陽能脫鹽系統,但也難以實現。

最近,人們已經報導了幾種方法來解決太陽能蒸發系統的鹽阻塞問題。例如,受樹木蒸騰作用的啟發,胡等報導了一種雙層木材蒸發器,其特點是其木質母材的遺傳結構,當太陽輻射低於5個太陽強度時,可在海水中連續工作,無鹽沉積。這種自然啟發的獨特通道設計利用木材中豐富、大而直的開放式微通道進行水傳輸,使鹽能夠在夜間再溶解,從而成為具有自清潔能力的太陽能海水淡化系統。據報導,具有不對稱潤濕性的浮膜吸光劑具有良好的抗鹽阻隔性。然而,由於熱傳導損失增加,這些膜狀吸收劑的太陽能蒸發效率相對較低。為了保持熱定位,陳等提出了一種具有拒鹽蒸發設計的漂浮式太陽能蒸發器,可以同時實現拒鹽和好的熱管理。

儘管取得了這些進展,但在該領域人們需要做出更多的努力來解決鹽堵塞問題,同時保持高蒸發效率以及在高濃度鹽水和太陽輻射等惡劣條件下的長期穩定性。應該注意的是,如果產生鹽而不是清潔水是裝置的目的,則鹽阻塞現象可能是有益的。

圖9. 增強太陽能蒸發的宏觀3D吸收器設計。

最近,通過在宏觀尺度上將吸收器的結構從傳統的平面裝置改變為3D結構,可以實現幾乎等於或甚至大於100%的太陽能蒸汽效率,這提出了一種改進太陽能蒸汽性能,甚至超出當前傳統太陽能蒸發器效率的新方法。使用3D結構可顯著增加蒸發表面積,從而為每單位面積提供更多的蒸發介面。朱等人研究表明,傳統的太陽能吸收器通常專注於提高太陽熱效應以提高蒸發速率,但吸收器的較高溫度會導致能量損失到環境中。通過使用具有精心結構設計的3D吸收器,由於蒸發冷卻效應,蒸發器的未輻照表面溫度可低於周圍環境的溫度,這允許蒸發器從環境中吸收熱能。在這種情況下,太陽能蒸汽過程中的總能量輸入等於入射太陽能加上來自環境的熱能,從而使太陽能蒸汽效率超過理論極限。

太陽能蒸發器的應用

太陽能蒸發方面取得的巨大進步為促進可持續能源和水在各個領域的實際應用提供了很好的機會。太陽能蒸發系統中各種形式之間的質量和能量轉移和轉換使得該技術能夠將未凈化的水(例如,海水,廢水和污染的水)轉換成清潔的水,並將太陽能轉換成其他形式的能量(例如,熱,化學,電能和機械能),可以很容易地收集和儲存,以供進一步使用。在本節中,我們將討論太陽能蒸發的潛在應用,包括廢水凈化和海水淡化,發電,化學燃料生產和太陽能蒸汽滅菌。

圖10. 太陽能蒸發應用於海水淡化。

近來,隨著光熱材料合成和太陽能蒸髮結構設計的巨大進步,人們越來越關注太陽能海水淡化系統的開發,其具有改進的太陽能蒸發效率,小型化結構和可承受的成本。例如,朱等報告了一種可攜式浮動蒸發器用於太陽能海水淡化,其具有廣泛的太陽能吸收(~96%)。通過將Al納米顆粒自組裝成市售的3D多孔膜來製備吸光劑。照射後,Al納米顆粒的等離子體雜化和局部表面等離子體共振導致吸收體的局部加熱,使得在4個太陽照射下產生5.7

kg m -2 h -1的穩定蒸汽。收集到的水離子濃度大幅度降低,符合飲用水標準。人們還報導了木膜,海綿,氣凝膠,紡織品,紙和多層集成結構形式的其他蒸發器,具有優異的除鹽效果。

圖11. 由鹽度梯度,蒸汽蒸發和摩擦電納米發電機(TENG)引發的太陽能海水淡化和發電混合系統。

從能量轉換的角度來看,太陽能蒸發過程也是一種有效的能量收集方法,它將太陽能轉換成熱能,以熱蒸汽或水的形式儲存。然而,太陽能輸入和我們收到的最終冷水之間存在巨大的能量浪費。在太陽能蒸發過程中合理利用或節約能源將為處理水和能源短缺帶來更多機會。最近,周的小組提出了一種混合系統,可以產生1 W m

-2的電力,同時顯示出高蒸發效率。額外的功率來自蒸發器引起的鹽度梯度,作者聲稱理論上可以在1太陽輻照度下的太陽能蒸發過程中在表面和本體溶液之間產生12.5 W m

-2的實時鹽度功率。但由於集中區域沒有任何離子通過Nafion®,從鹽度發電中回收的實際電力實際上不到10%。Ho等人通過使用獨立的單片碳海綿蒸發器設計將太陽能驅動蒸餾與發電相結合,成功地實現凈化水和電能的收集。熱蒸汽中的熱能也可以通過熱電納米發電機、熱電模塊和摩擦電納米發電機來收穫。

太陽能蒸發還表現出將太陽能轉換為其他形式的能源的巨大潛力,例如通過化學能和機械能。除了水和能源的產生,太陽能蒸發也顯示出響應全球公共醫療和健康需求的巨大潛力,如太陽能蒸發殺菌等。

4

挑戰與展望

在過去的十年中,在光熱和基體材料的開發以及涉及光吸收,水輸送,隔熱和介面性質的各種結構工程策略方面取得了巨大成就。雖然有新興的應用利用這種有趣的技術,但仍有一些挑戰需要進一步研究,以實現太陽能蒸發並使社會大眾受益。有必要進行基礎研究和實際探索,以使這種清潔,綠色和可持續的技術成為可能。

標準化測量和評估;

長期運行期間對水,熱,鹽,細菌和天氣的多級穩定性

針對實際應用的大規模且經濟高效的生產

進一步理解太陽能蒸發材料與結構的結構-性質關係

探索新材料和結構設計

探索新功能和應用

圖12. 未來太陽能蒸發材料和結構設計的蜘蛛圖表的示意圖,其必須平衡效率,成本,可擴展性,穩定性和適應性,以開發商業上可行的太陽能熱系統.

5

全文小結

對不同光熱材料及基體材料的發展脈絡進行了詳細梳理,重點闡述了吸光材料不同的光熱轉化機制和基體材料的設計原則;

系統地分析了太陽能輔助水蒸發器的材料和結構設計原則和工程設計策略;

總結分析了太陽能輔助水蒸發的應用開發,及對其未來更廣闊的發展前景進行了展望;

指出太陽能輔助水蒸發技術基礎研究和產業化方面面臨的挑戰,並探討了解決挑戰的可能思路和方向,展望了未來的發展前景。

鑒於來自太陽能和各種水源的豐富,可再生和廣泛分布的資源,這種綠色工藝零碳足跡和簡單的操作,沒有複雜的設施,使太陽能蒸發成為清潔水、能源和燃料生成的最有前途的技術之一。儘管在各個方面存在多重挑戰,但我們預計未來十年將見證這種綠色技術在各種應用領域的蓬勃發展,在應對全球危機,特別是全球水資源短缺和清潔能源需求日益增長方面發揮關鍵作用。通過大量努力彌合最先進的太陽能蒸發系統與未來規模化且具有成本效益的實際應用之間的差距,該技術將能夠在未來幾年內平衡效率,成本,規模化,穩定性和適應性。

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作者簡介

通訊作者-胡良兵教授:馬里蘭大學帕克分校材料科學與工程系教授。胡教授的研究主要集中於納米材料及天然高分子基材料的先進位造及其在柔性電子、環境和能源領域的應用,目的是利用納米技術操縱電子,離子,光子,聲子和機械性能,實現多功能性。他的團隊發明了透明木材,超強木材,超級保溫木材,超柔軟木材,木基電池,木基太陽能蒸發器等,並在《Nature》,《Science》,《Nature

Energy》,《Nature Materials》,《Chem》,《Joule》等高影響力期刊上發表了300多篇該領域的研究論文。研究成果多次被Nature、麻省理工科技評論、美國之聲、美國能源部通訊簡報、科學美國人、Materials Today、c&en、新華網、人民網等雜誌及媒體進行亮點報導。

第一作者-陳朝吉博士:馬里蘭大學帕克分校博士後,合作導師胡良兵教授。目前主要從事天然高分子基,特別是木材基材料的多尺度結構改性及其在能源、環境、輕質結構材料、熱管理、離子傳導等領域的功能化應用開發。迄今在國際著名學術期刊上發表(共同)第一作者論文30餘篇,包括《Nature》、《Joule》、《Chem》、《Nature Communications》、《Accounts of

Chemical Research》等。申請美國專利2項。

課題組簡介

BingNano課題組是由胡良兵教授創建並領導的前沿科學問題研究團隊,聚焦於能源、環境和柔性電子產品的材料創新和前沿基礎科學技術問題研究。通過學科交叉分別從材料、器件和系統層面提出整體解決方案,從而推動相關技術領域快速地取得突破性進展。我們尋求了解和探索具有大縱橫比的新興納米材料的特徵,例如纖維,管和片及其混合物。我們對納米級基礎科學和通過納米製造的大規模應用感興趣。我們的目標是通過合理組裝來操縱電子、離子、光子、聲子和機械特性以實現多功能。

我們目前的研究興趣包括:

非鋰離子電池的新能源存儲;

用於能源和環境應用的可持續納米材料(例如木納米纖維素);

納米材料合成和納米製造;

柔性電子。

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