桂林电子科大团研发出可产生超高性能太阳能蒸汽的光热气凝胶
发布者:lzx | 来源: 科学材料站 | 0评论 | 1365查看 | 2020-05-14 11:08:31    

高效的太阳能蒸汽产生(SSG)依赖于相干光热材料出色的光吸收,足够的水传输,大的蒸发面积以及高的热利用能力。但尚无将这些功能整合到整体结构上的通用方法,其在化学组成和孔结构方面具有设计灵活性。


基于以上现状,桂林电子科技大学苗蕾、周建华等在国际知名期刊NanoEnergy上发表题为“Integrated photothermal aerogels with ultra high-performance solar steamgeneration”的论文。Yufei Gu为本文第一作者。


本文设计并演示了一种通用的壳聚糖(CS)气凝胶,该气凝胶易于与其他光热材料兼容以实现高效SSG。CS气凝胶是通过液相一锅法冷冻干燥合成的,没有任何交联剂。CS复合气凝胶不仅保留了CS气凝胶的初始特性,而且还集成了生物相容性,亲水性和高绝热性能,并通过设计的多孔结构通过集光和多重散射的作用增强了光吸收能力。


与CS气凝胶复合并通过冻干机(PP0.1CS1.5-L)冷冻干燥的碳化柚皮颗粒表现出出色的SSG性能,蒸发速率高达1.78kgm-2h-1,远远超出了正常太阳辐射为1kWm-2的二维SSG系统。这项研究为轻巧地制造可重复使用,低成本,无毒和高性能的功能性气凝胶开辟了一条新途径。


1.太阳能蒸汽发电的研究现状


受地球水循环的启发,利用光热转化材料直接驱动加速水蒸发并收集系统中的清水的太阳能蒸汽发电(SSG)在污水处理和海水淡化中具有巨大的潜力。SSG的太阳能热转换效率比传统的散装水加热要高得多,尤其是在界面系统中,充当太阳能吸收剂的光热转换材料层可以漂浮在空气-水界面处并实现局部加热。


通常,高性能太阳能蒸汽发生器需要具备以下特征:对太阳光的吸收极好;充足的供水;高的热管理能力;蒸发面积大。


最近,已经设计和优化了热管理和水输送/蒸发路径,以进一步减少热量损失,增加蒸发面积以提高转化效率。作为SSG的核心能量转换组件,需要具有综合性能的光热材料。已探索的候选材料包括碳基材料,贵金属纳米颗粒和窄带隙半导体,用于各种聚合物。已经设计了光热转换材料以形成多孔微结构或将其装载在额外的多孔基材上,这将增加散射引起的光捕获。装载在多孔膜上的光热材料比相同量的装载在平面膜上的材料具有更好的光捕获能力,光吸收率从60%提高到99%。


最近,通过水热和冷冻干燥工艺合成的还原型氧化石墨烯(rGO)气凝胶显示出三维(3D)多孔结构,从而导致宽带光吸收和高达90%的太阳到蒸气传递效率。但是,rGO的准备过程复杂,昂贵且耗时。rGO气凝胶太脆弱,无法回收利用,这限制了其在SSG中的广泛应用。此外,由碳化酚醛树脂生产的碳基气凝胶也存在类似问题。


2.聚合物光热材料的研究现状及存在的问题


取而代之的是,聚合物光热材料具有巨大的优势,因为它们柔软,便宜,可在整料中制造,并且易于功能化为复合材料。以3D光热锥形态制备了涂覆在聚偏二氟乙烯膜上的聚吡咯,其光吸收率为99%,蒸发速率为1.70kgm-2h-1。精心设计了炭黑涂层纤维素层和棉芯的复合材料,以形成具有高蒸发面积和低投影比的圆柱阵列。在仅0.25kWm-2的光照下,蒸发速率为0.89kgm-2h-1。


通过这种精心设计,提高了性能是由于减少了顶表面的能量损失以及从侧面获得的补充能量。在我们以前的工作中,开发了模拟树系统(MTS),其太阳热转换效率高达91.3%。用作MTS根部的气流成网纸将太阳能吸收层与散装水分开,这不仅为SSG提供了足够的水,而且还降低了向散装水的热传导并提高了热利用效率。


膨胀聚乙烯(EPE)泡沫也用于包裹MTS,以抑制热量散发到周围环境中。基于数值模型,总热损失约占总传入太阳能的7.4%,从而确保了MTS中出色的热管理和高效的SSG。具有三层压花结构的MTS中的纳米油墨染色的聚乙烯醇海绵在1阳光照射下的蒸发速率提高了7.2倍,是纯水的蒸发速率。


由于SSG中使用的上述材料直接从商品获得,因此它们的孔结构是固定的。难以根据其孔结构来调整光吸收特性。此外,当功能组分被集成以形成复合物时,合成过程变得更加复杂。因此,开发一种容易且对环境友好的途径来形成用于SSG的具有可调节孔结构的聚合物整料仍然是一个巨大的挑战。


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图1:图片概要


在这项工作中,作者设计并演示了一种通用的壳聚糖(CS)气凝胶,该气凝胶可与其他光热材料兼容,以实现SSG的高效率。CS是一种从贝类中提取的可持续材料,由于其具有丰富的羟基和酰胺原,因此对重金属离子具有优异的吸收能力,并且在水污染处理,食品包装,药物载体,和伤口修复。


CS气凝胶是通过液相一锅法冷冻干燥合成的,没有任何交联剂,其中CS气凝胶的孔径和结构可通过改变冷冻干燥彩票网下载技术来调节。通过冷冻干燥机(CS1.5-L)制备的CS浓度为1.5wt%的气凝胶的孔隙率为96%,导热系数较低,为0.033Wm-1K-1,并且负载能力非常大。物料的内径超过自重的8565倍,而没有明显的变形。


此外,作者证明了液相一锅法冷冻干燥法制备CS型复合气凝胶的可行性,该方法是将光热颗粒或分散液与CS溶液混合,然后直接冷冻浇铸。所获得的复合CS气凝胶不仅保留了CS气凝胶的初始特性,而且还基于多孔结构增强了光吸收能力,从而获得了适于改善MTS装置中SSG性能的值。


在这些CS复合气凝胶中,与CS气凝胶复合并通过冻干机(PP0.1CS1.5-L)冷冻干燥的碳化柚皮(PP)颗粒具有出色的SSG性能,蒸发速率高达1.78kgm-2h-1,远远超出了二维(2D)SSG系统在正常的1kWm-2的太阳辐射下所能达到的范围。


这种环保,易相容且用途广泛的CS气凝胶,具有易于调节的孔隙结构,可满足高性能和大规模生产SSG的光热材料的要求。


光热材料气凝胶集成了增强的光吸收,便捷的水传输和提高的热利用率。


•高达1.781.kgm-2h-1的蒸发速率远远超过了二维SSG系统在1kWm-2的正常太阳辐射下所能达到的蒸发速率。


•壳聚糖气凝胶易于与其他光热材料兼容,以产生高效的太阳能蒸汽。


•复合气凝胶的孔径和结构可以通过调节冰的形成方向和冻结温度来轻松控制。


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图2:集成光热转换气凝胶的制作过程:The fabrication of Integrated photothermal conversion aerogel . Schematic of the solid-liquid (powder in CS solution) and liquid-liquid (dispersion in CS solution) one-pot freeze drying fabrication process and the mechanism of CS-based composite aerogelin SSG.

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