持續、穩定、高速率的光熱/焦耳熱界面蒸發助力海水淡化

碳材料在能源捕獲、存儲和利用等方面具有非常廣闊的應用前景。近年來,采用太陽光實現高效率界面蒸發成為新的研究熱點,在眾多新型材料中碳材料表現尤為優異。

利用界面蒸發的方式可為清潔能源的高效利用,海水淡化,污水處理等提供新的解決方案。受制於太陽光較低的能量密度(1 kW m2),目前大多數新型材料可實現太陽能光熱界面蒸發速率依然處於較低的水平,僅為自然蒸發速率(0.5 kg m 2 h 1)的3倍左右。

而且,利用太陽能光熱實現界面蒸發的速率不夠穩定,受天氣、太陽光輻照晝夜變化等因素的影響,在陰天、夜晚、室內等環境下使用效果較差。采用物理裝置匯聚太陽光增強能量的措施,成本較高,這也是目前很多太陽能設備難以大面積推廣應用的主要原因之一。基於清潔能源(如太陽能、風等)的電力供給已經大規模應用,尤其離線電力成本逐年降低,為采用新能源供電的界面蒸發提供瞭新機遇。

最近,上海交通大學趙斌元副教授(Associate Professor Binyuan Zhao)課題組與倫敦城市大學(City, University of London)喬治丹尼斯助理教授、國際化學工業協會(Society of Chemical Industry, SCI)中英分會主席吳衛平博士(Dr Weiping Wu)課題組、牛津大學材料系Robert Bradley教授合作,在介孔碳-地聚物復合結構實現風能、太陽能光熱界面蒸發, Advanced Functional Materials, 28, 1870332, 2018, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201870332, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201803266, 環境友好多級孔和大孔碳材料光熱蒸發,RSC Advances, 9, 29414, 2019等前期工作的基礎上,在持續、穩定、高速率的界面蒸發方面取得瞭重要進展。他們基於納米光學超材料和超表面原理,結合一維+二維(1D+2D)材料設計的新思路,發明瞭一種新型的柔性石墨烯/碳纖維佈全碳基復合材料rGO-CC,並設計瞭復合材料-親水纖維佈-隔熱泡沫三層結構用於光熱和電熱蒸發。其中,巧妙地采用電化學沉積在碳纖維佈表面沉積氧化石墨,並通過電加熱對氧化石墨進行原位焦耳熱還原,制備瞭石墨烯/碳纖維佈復合材料。

該工作作為正封面(圖1)發表在Wiley旗下期刊Advanced Sustainable Systems上(Graphene-Carbon Composites for Solar and Low-Voltage Powered Efficient Interfacial Evaporation. Advanced Sustainable Systems, 4, 1900122, 2020),博士生劉豐華(Fenghua Liu)為論文第一作者,趙斌元副教授吳衛平博士為通訊作者。

持續、穩定、高速率的光熱/焦耳熱界面蒸發助力海水淡化
圖1 封面

該結構基於全碳材料,成本低,可柔性折疊彎曲,環境友好,可同時采用太陽能光熱能及低驅動壓電(僅需1伏到3伏供電)產生的焦耳熱,實現高速率、高效率、穩定、綠色環保的界面蒸發(圖2)。該方案不僅適用於采用清潔能源的海水淡化,還可廣泛適用於各類蒸發、蒸餾、污水處理、消毒殺菌等領域。

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圖2 石墨烯-碳纖維佈復合材料的電化學-焦耳熱制備及界面蒸發裝置示意圖

碳纖維佈柔性優異,電導率高,且紫外、熱穩定性好,在可見光及近紅外區域的光學吸收較高,與石墨烯復合後其光學吸收能力得到進一步提高,達到97%左右。在一個標準太陽的輻照強度(AM1.5G,1 kW m 2),rGO-CC復合裝置的光熱蒸發速率達到2.54 kg m 2 h 1,高達水自然蒸發速率的5倍,顯著優於其它新型材料。這主要是由於整個復合結構較薄,熱量局域化控制效果優異,且該全碳復合材料具有相對較大的孔隙結構和適宜的表面性質,利於蒸汽的傳質和快速逸出(圖3所示)。

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圖3 石墨烯-碳纖維佈全碳復合材料掃描電子顯微鏡(SEM)照片、紅外熱成像照片、光吸收性能及光熱界面蒸發曲線

此外,他們進一步采用低電壓驅動的焦耳熱效應,有效的解決瞭光熱蒸發的不穩定和速率低等問題。碳纖維佈及其與石墨烯的全碳復合材料,具有高度石墨化的結構,電導性能優良,采用該材料在較低的電壓下即可實現顯著的焦耳熱效應。實驗表明,當施加低電壓時,表面焦耳加熱溫度極為容易突破水的沸點(100攝氏度),最高加熱溫度可達到385攝氏度,而且啟動時間短,加熱溫度可調(圖4)。隨著電壓即輸入功率的增加,界面蒸發可實現大幅度提升。疏水性碳佈在3 伏特低電壓下,蒸發速率高達45.87 kg m 2 h 1(圖5)。

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圖4 石墨烯-碳纖維佈復合結構的焦耳熱性能
持續、穩定、高速率的光熱/焦耳熱界面蒸發助力海水淡化
圖5 石墨烯-碳纖維佈復合結構的焦耳熱界面蒸發

這項研究工作取得瞭太陽光熱海水淡化、界面蒸發領域的突破性進展。利用電場焦耳熱和太陽能光熱相結合的策略,有望成為穩定持續、高速率界面蒸發的最有效的解決方案,在海水淡化、污水處理、飲用水凈化和新能源利用等方面具有廣闊的前景,為可持續發展、環境保護、氣候變化和緩解淡水資源短缺等問題提供瞭一種極具潛力的解決方案。

論文獲得瞭審稿人高度評價,“Authors of this manuscript mainly report the synthesis of graphene-carbon composites and also their applications in the field of the water evaporation. This work would potentially contribute to the development of the water evaporation, especially, the utilization of low voltages to increase the evaporation rate”,並被Advanced Sustainable Systems選為該刊2020年第4卷第3期正封面(https://onlinelibrary.wiley.com/toc/23667486/2020/4/3)。

該項目獲得瞭英國創新署(Innovate UK, Grant 104013)、英國研究與創新署(UK Research and Innovation, UKRI),全球研究挑戰基金(Global Challenges Research Fund,簡稱GCRF)和上海市科委(STCSM, Grant 17230732700)的資助。

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adsu.201900122

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