作者:Nano Research Energy 来源: 发布时间:2022/8/24 11:41:40
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向海洋要淡水!深入解读太阳能驱动蒸发脱盐!

2022年6月1日,新加坡国立大学助理教授Swee Ching Tan在清华大学主办国际学术期刊Nano Research Energy(https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120014) 发表了题为“Towards Highly Salt-Rejecting Solar Interfacial Evaporation: Photothermal Materials Selection, Structural Designs, and Energy Management”的综述文章。

图 1. (a) 太阳能吸收器的设计概念和结构示意图,以及太阳能驱动界面蒸汽发生器的结构示意图。 (b) 基于“蘑菇”的太阳能蒸汽发生装置示意图。(c) 扩大化的设备制造过程示意图。 (d) 利用落叶制备碳材料的两种方案。 (e) CTGS/纸制造的方案。

化石资源消耗造成的环境污染和淡水短缺已成为全球性问题。因此,探索环境友好型能源以缓解淡水短缺对人类至关重要。在世界范围内的各种能源中(如风能、潮汐能、地热能、太阳能等),太阳能具有清洁、量大、易得等特点。太阳能的高效利用对于缓解环境污染和全球能源压力具有重要意义。光热转换技术是利用太阳能最简单的方法之一。对于淡水短缺问题,虽然地球上有丰富的水资源,但是,总水量的97.5%是不可饮用的海水。因此,研究人员试图探索高效的海水淡化技术。由于水的光吸收性能差,自然蒸发效率太低,因此无法高效供应淡水。受自然蒸发获得淡水的启发,基于光热转换技术的太阳能驱动蒸发系统被认为是有前景的缓解淡水短缺的海水淡化技术。

太阳能驱动蒸发利用光热转换材料将太阳能转化为热量,然后热量可以传递到海水中以加速淡水生产。由于光热转换效率低和热损耗低,传统的容积式系统的淡水效率比较低。从目前的工作来看,研究人员发现太阳能吸收器的位置会影响蒸发速率。一旦太阳能吸收器位于海水和上述空气之间的界面,它可以减少对水的热量损失,并提供更多的蒸发区域来释放蒸汽。我们可以提高太阳光捕获和光热效率,并减少热量损失,以实现高效的太阳能驱动蒸发速率。因此,研究人员探索了多种具有宽带光吸收的光热转换材料,以最大限度地提高热能转换效率。太阳能驱动蒸发装置一般具有以下特点: (1) 包含吸收光谱宽、光热转换效率高的太阳能吸收体; (2) 出色的热管理性能; (3) 包含亲水结构,易于向加热区连续供水并释放蒸汽。太阳能可以被太阳能吸收器捕获并限制在水汽界面,从而有效地利用阳光产生热量来生产淡水。值得注意的是,海水淡化过程中的盐分积累、热传导损失、对流能量损失和辐射能量损失,对太阳能驱动蒸发效率有负面影响。近年来,研究人员开发了许多光热转换材料,如碳基板料、半导体、金属基等离子体材料和共轭聚合物。此外,发展高效的太阳能驱动蒸发技术,对于缓解淡水短缺和能源危机具有重要意义。

在这篇综述中,作者介绍了高效太阳能驱动蒸发的设计原则和策略。基于太阳能驱动蒸发器的关键部件包括太阳能吸收体和基板。作者介绍了四种光热转换材料(碳基板料、半导体、金属基等离子体材料和共轭聚合物)及其光热转换机制和基板设计的结构。在太阳能驱动的蒸发系统中,太阳能吸收器在热量产生中起关键作用,基板可以连续输送水以产生蒸汽。作者讨论了减少太阳能吸收器的光反射以获得更好光吸收的方法,以及降低蒸发焓以获得高蒸发速率的方法。作者还讨论了各种有效的脱盐技术。最后,作者讨论了太阳能驱动蒸发的结论和观点,以及该领域接下来的挑战。

迄今为止,太阳能驱动蒸发器的研究取得了很大进展,主要包括光热材料的选择和结构的优化。许多研究人员通过专注于蒸发器的高光热转换效率、高光吸收效率、合理的水管理系统、长期脱盐和协同效应来追求更出色的蒸发器。

在光热材料方面,许多纳米金属颗粒、聚合物、金属氧化物、半导体材料和碳基材料已被证明具有优异的光热转换效率。光热材料可以集成到基板材料中,也可以单独设计为蒸发器。对于提高蒸发器光吸收效率的研究,多孔结构往往起着关键作用。许多细孔确保了光的捕获和光的反射。在这个阶段,最好的光捕获结构可以达到接近100%的光吸收能力。在蒸发器的水管理系统设计中,毛细效应是基础原理。微纳米孔结构表现出高效的毛细作用,与本体水接触的区域大多设计为隔热的。对于脱盐设计,使用散装水洗去结晶盐是一种方便有效的方案。此外,利用盐分易积聚的特点,可设计蒸发器同时收集蒸汽和结晶盐,成功实现液体零排放。对多能协同效应的研究日益增多,太阳能驱动的蒸发器与风能、热能、电能和机械能相结合,正在变得炙手可热。通过能量协同获得更高的蒸发效率,或者将太阳能驱动蒸发器产生的额外能量回收利用,这无疑将为太阳能驱动蒸汽技术带来许多新的理念和方向。

通过这篇综述,作者总结了与太阳能驱动蒸发器相关的四个方面:光热材料、基板材料、能源管理和脱盐设计。材料和结构的多样性为后续研究提供了良好的研究基础。在后续研究中,需要加强低成本材料的使用。生物基碳材料仍然是低成本材料的重要选择;同时也可以利用一些工业废弃物,如废碳纤维、黑色废染料等。此外,还需要更多地涉及一些便于产业化的技术,如纺织技术和其他可以在常温常压下生产的技术。不可忽视的是,微纳米孔结构的机械强度应不断增强,尤其是在构建具有柔韧性或可压缩性的多孔材料方面。最值得一提的是,蒸发器的长时间脱盐和多能协同效应带来的超高蒸发效率将成为主要研究目标。

作者介绍:

Tan Swee Ching(中文名,陈瑞深),新加坡国立大学助理教授。本科毕业于新加坡国立大学,博士毕业于剑桥大学,并在美国麻省理工学院进行博士后研究。主要从事大气水收集、海水淡化以及基于蛋白质的太阳能电池等方面的研究。近年来,以第一作者和通讯作者在Joule, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater. 等学术期刊上发表论文近50篇,并获得多项发明专利。

论文信息:

Wei, Z. C.; Wang, J.; Guo, S.; Tan, S. C. Towards highly salt-rejecting solar interfacial evaporation: photothermal materials selection, structural designs, and energy management. Nano Res. Energy 2022, 1: e9120014. DOI: 10.26599/NRE.2022.9120014. https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120014

作为Nano Research姊妹刊,Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119; 官方网站:https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月由清华大学创办,香港城市大学支春义教授和清华大学曲良体教授共同担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉,全英文开放获取期刊聚焦纳米材料纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用,对标国际顶级能源期刊,致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文。本刊开放获取,2023年之前免收APC费用,欢迎各位老师踊跃投稿。投稿请联系:NanoResearchEnergy@tup.tsinghua.edu.cn.

 
 
 
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