中科大俞书宏院士：用于高效界面太阳能蒸汽发电的宏观孔隙三维桁架材料的仿生设计！-木庄网络博客

本文摘自高分子科学前沿，侵删。

利用局部加热技术在水-蒸汽界面蒸发的界面太阳能蒸汽发电 (Interfacial solar steam generation，ISSG) ，具有高效率的太阳能-热转换，可用于可持续和环保的饮用水再生过程。其一般采用多孔隔热黑体材料实现界面太阳能热转换和蒸汽排放过程。由于热量集中在水-汽相界面，可有效抑制散热，ISSG 系统一般能达到90%以上的能效，可用于实际应用。通过进一步利用环境热能，其效率甚至可以提高到100%以上。获得高能效的关键是将水分快速输送到蒸发界面、提高太阳光的吸收率和降低材料的热导率。

在目前已经被报道的材料中，碳材料因其固有的高太阳能吸收率、低成本和良好的可加工性而受到广泛关注。然而，碳材料的高导热性导致蒸发界面的大量热量损失。最近，研究人员提出了构建具有高孔隙率的碳材料以降低热导率的策略。但高成本、复杂的制造工艺和弱亲水性仍然阻碍了它的实际应用。此外，一旦充满水，ISSG的传统多孔材料由于含水量高，不可避免地会降低隔热性能，从而导致整体效率下降。

在自然界中，企鹅羽毛具有二级宏观孔隙结构，其孔径大于空气分子的平均自由程，可以实现良好的隔热（图1a）。因此，在ISSG中考虑水蒸气分子的平均自由程（图 1b），可能进一步降低其热导率。

鉴于此，中国科学技术大学俞书宏院士团队设计了一种具有互连宏观孔隙骨架的仿生太阳能蒸发器 (bionic solar evaporator，BSE)，其简便、经济且易于量产，可实现2.3 kg m-2 h-1的蒸发速率和93%的能量效率。其高效和耐盐的多重优势使其可应用于未来的实际污水净化和海水淡化领域。该研究以题为“Biomimetic Design of Macroporous 3D Truss Materials for Efficient Interfacial Solar Steam Generation”的论文发表在最新一期《 ACS Nano》上。

【宏观孔隙结构的制备】

作者将商用三聚氰胺海绵预浸在NH 4H 2PO 4中并在氮气气氛中退火，通过这种无模板工艺生产具有宏观尺度的互连空心骨架。如图 1c 所示，该改性海绵（TAMS）具有分层的多孔结构，具有两种孔隙。～100 μm的宏观孔隙可以通过亲水性骨架有效地将水输送到其上表面，并有助于除盐。同时，小孔设计为～2 μm，稍大于水蒸气分子的平均自由程。它可以通过减少分子碰撞有效降低水蒸气的热导率，同时减少水蒸气分子与骨架之间的碰撞。

图1. 具有宏观孔隙骨架的BSE，用于部分热管理

【宏观孔隙结构的性能表现】

为了测试仿生分层宏观孔隙结构的性能，作者测量了其导热性和标称热量（图2a）。由于宏观孔隙骨架和桁架结构，TAMS表现出24 mW m -1 K -1的热导率和28.5 kJ m -3 K -1的比热，远远低于TMS。其较低的导热性和比热有利于热量的集中和减少SSIR过程中的显热负荷，从而使蒸发速度加快。作者实验验证了该TAMS在水中具有比TMS更可靠的热调节性能。此外，该系统的热导率和比热随着饱和吸水率的降低而同步降低。接着，作者通过评估样品与热源接触后的垂直热量分布，定性地比较不同样品的热对流性能，实验表明（图2b，c），TAMS具有更好的热阻性能。随后，作者对TAMS的太阳能热转换和水传输性能进行了评估。如图4d所示，TAMS的分层宏观孔隙结构具有更高的饱和容量率，并且具备不错的水传输能力。

图2. 仿生物宏观孔隙结构TAMS的性能。

【BSE的ISSG性能表现】

如图5d所示，作者通过实验证明，该TAMS可以实现2.33 kg m-2 h-1的最大蒸发率，其在一次太阳照射下的能量效率为93%。此外，在长期ISSG循环测试的稳定性实验中，TAMS的能量效率稳定在92%以上，证明了TAMS在实际应用中的巨大潜力。最后，作者还证明了TAMS具有长期稳定的良好抗盐性以及离子去除能力。