同濟大學制備出超黑碳氣凝膠提高光熱轉化效率

太陽光-熱轉化是利用太陽能(3.660, -0.02, -0.54%)最簡單、有效的方式之一。利用太陽能進行海水淡化實際上是利用太陽能蒸汽產生系統,先將光能轉化為熱能,然後利用熱能來加熱水體,在水蒸發的過程中鹽離子和重金屬離子不會隨水蒸氣流失,從而達到海水淡化的過程。

同濟大學物理科學與工程學院納米多孔材料課題組通過對碳氣凝膠的不斷研究,發現其具有一些特殊的性質,例如由其無序結構和小尺寸導體效應引起的與角度無關的、寬波段的強烈的光吸收(ACS Nano, 2016, 10, 9123-9128),由等效開口諧振環導致的雙負特性 (Carbon, 2018, 129, 598-606),以及小尺寸導體效應引起的強烈的熱電子耦合增強光催化效應 (MRS. Comm. 2018, 8, 521-526)等。

普通泡沫和超黑碳氣凝膠的宏觀和微觀結構圖及海水淡化示意圖
普通泡沫和超黑碳氣凝膠的宏觀和微觀結構圖及海水淡化示意圖

近日,該課題組通過采用預冷凍技術結合碳化工藝,制備瞭集大孔、介孔和微孔結構於一體的超黑碳氣凝膠。材料中垂直的大孔結構有利於水蒸氣的運輸;介孔結構有利於材料的保溫隔熱;而微孔結構可以構造小尺寸導體,從而產生強烈的熱電子效應,最終提高光熱轉化效率。除此之外,通過物理活化的方法可以在材料原有的骨架上造出新的微孔結構。最終,該材料實現瞭1個太陽的光照強度下87.51%的光熱轉化效率和1.37kg/m-2/h的水蒸發速率。該材料通過水蒸發的方式,可以進行海水淡化、硬水軟化和污水處理,且處理後的水質能夠達到世衛組織和衛生部關於飲用水的標準。該工作以“Enhanced Photothermal Conversion by Hot-Electron Effect in Ultrablack Carbon Aerogel for Solar Steam Generation”為題發表在國際知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上(ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 42057-42065)。

超黑碳氣凝膠光熱轉化性能的標征。(a)孔徑分佈;(b)吸收、透過光譜;(c,d)光熱轉化性能;(e)連續光照下的光-熱蒸汽產生速率對比;(f)應用時材料表面溫度
超黑碳氣凝膠光熱轉化性能的標征。(a)孔徑分佈;(b)吸收、透過光譜;(c,d)光熱轉化性能;(e)連續光照下的光-熱蒸汽產生速率對比;(f)應用時材料表面溫度

該工作提出的小尺寸導體引起的熱電子效應,可以為設計其他高效的光熱轉化器件提供一條新的思路。該論文的第一作者是博士生汪宏強,通訊作者為杜艾副教授,課題組周斌、張志華、沈軍、張晨、姬秀潔等師生也參與瞭該工作。該工作受到瞭國傢自然科學基金、國傢重點研發計劃“納米科技”重點專項、上海市特殊人工微結構材料與技術重點實驗室開放課題的支持。

參考文獻:

1. Sun, W.; Du, A.; Feng, Y.; Shen, J.; Huang, S.; Tang, J.; Zhou, B., Super Black Material from Low-Density Carbon Aerogels with Subwavelength Structures. ACS Nano 2016. 10, 9123-9128.

2. Xie, P.; Sun, W.; Liu, Y.; Du, A.; Zhang, Z.; Wu, G.; Fan, R., Carbon aerogels towards new candidates for double negative metamaterials of low density. Carbon 2018, 129, 598-606.

3. Wang, H.; He, X.; Zhou, B.; Shen, J.; Du, A., Hot electrons coupling-enhanced photocatalysis of super black carbon aerogels/titanium oxide composite. MRS Communications 2018, 8 , 521-526.

4. Du, A.; Wang, H.; Zhou, B.; Zhang, C.; Wu, X.; Ge, Y.; Niu, T.; Ji, X.; Zhang, T.; Zhang, Z.; Wu, G.; Shen, J., Multifunctional Silica Nanotube Aerogels Inspired by Polar Bear Hair for Light Management and Thermal Insulation. Chemistry of Materials 2018. 30, 6849-6857.

5. Hongqiang Wang, C. Z., Bin Zhou ,Zhihua Zhang, Jun Shen, Ai Du., Ultra-black [email protected] core-shell aerogels with controllable electrical conductivities. Advanced Composites and Hybrid Materials 2019. https://doi.org/10.1007/s42114-019-00123-6.

6. Wang, H.; Du, A.; Ji, X.; Zhang, C.; Zhou, B.; Zhang, Z.; Shen, J., Enhanced Photothermal Conversion by Hot-Electron Effect in Ultrablack Carbon Aerogel for Solar Steam Generation. ACS Appl Mater Interfaces 2019, 11, 42057−42065.

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