持续、稳定、高速率的光热/焦耳热界面蒸发助力海水淡化

碳材料在能源捕获、存储和利用等方面具有非常广阔的应用前景。近年来,采用太阳光实现高效率界面蒸发成为新的研究热点,在众多新型材料中碳材料表现尤为优异。

利用界面蒸发的方式可为清洁能源的高效利用,海水淡化,污水处理等提供新的解决方案。受制于太阳光较低的能量密度(1 kW m2),目前大多数新型材料可实现太阳能光热界面蒸发速率依然处于较低的水平,仅为自然蒸发速率(0.5 kg m 2 h 1)的3倍左右。

而且,利用太阳能光热实现界面蒸发的速率不够稳定,受天气、太阳光辐照昼夜变化等因素的影响,在阴天、夜晚、室内等环境下使用效果较差。采用物理装置汇聚太阳光增强能量的措施,成本较高,这也是目前很多太阳能设备难以大面积推广应用的主要原因之一。基于清洁能源(如太阳能、风等)的电力供给已经大规模应用,尤其离线电力成本逐年降低,为采用新能源供电的界面蒸发提供了新机遇。

最近,上海交通大学赵斌元副教授(Associate Professor Binyuan Zhao)课题组与伦敦城市大学(City, University of London)乔治丹尼斯助理教授、国际化学工业协会(Society of Chemical Industry, SCI)中英分会主席吴卫平博士(Dr Weiping Wu)课题组、牛津大学材料系Robert Bradley教授合作,在介孔碳-地聚物复合结构实现风能、太阳能光热界面蒸发, 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, 环境友好多级孔和大孔碳材料光热蒸发,RSC Advances, 9, 29414, 2019等前期工作的基础上,在持续、稳定、高速率的界面蒸发方面取得了重要进展。他们基于纳米光学超材料和超表面原理,结合一维+二维(1D+2D)材料设计的新思路,发明了一种新型的柔性石墨烯/碳纤维布全碳基复合材料rGO-CC,并设计了复合材料-亲水纤维布-隔热泡沫三层结构用于光热和电热蒸发。其中,巧妙地采用电化学沉积在碳纤维布表面沉积氧化石墨,并通过电加热对氧化石墨进行原位焦耳热还原,制备了石墨烯/碳纤维布复合材料。

该工作作为正封面(图1)发表在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),博士生刘丰华(Fenghua Liu)为论文第一作者,赵斌元副教授吴卫平博士为通讯作者。

持续、稳定、高速率的光热/焦耳热界面蒸发助力海水淡化
图1 封面

该结构基于全碳材料,成本低,可柔性折叠弯曲,环境友好,可同时采用太阳能光热能及低驱动压电(仅需1伏到3伏供电)产生的焦耳热,实现高速率、高效率、稳定、绿色环保的界面蒸发(图2)。该方案不仅适用于采用清洁能源的海水淡化,还可广泛适用于各类蒸发、蒸馏、污水处理、消毒杀菌等领域。

持续、稳定、高速率的光热/焦耳热界面蒸发助力海水淡化
图2 石墨烯-碳纤维布复合材料的电化学-焦耳热制备及界面蒸发装置示意图

碳纤维布柔性优异,电导率高,且紫外、热稳定性好,在可见光及近红外区域的光学吸收较高,与石墨烯复合后其光学吸收能力得到进一步提高,达到97%左右。在一个标准太阳的辐照强度(AM1.5G,1 kW m 2),rGO-CC复合装置的光热蒸发速率达到2.54 kg m 2 h 1,高达水自然蒸发速率的5倍,显著优于其它新型材料。这主要是由于整个复合结构较薄,热量局域化控制效果优异,且该全碳复合材料具有相对较大的孔隙结构和适宜的表面性质,利于蒸汽的传质和快速逸出(图3所示)。

持续、稳定、高速率的光热/焦耳热界面蒸发助力海水淡化
图3 石墨烯-碳纤维布全碳复合材料扫描电子显微镜(SEM)照片、红外热成像照片、光吸收性能及光热界面蒸发曲线

此外,他们进一步采用低电压驱动的焦耳热效应,有效的解决了光热蒸发的不稳定和速率低等问题。碳纤维布及其与石墨烯的全碳复合材料,具有高度石墨化的结构,电导性能优良,采用该材料在较低的电压下即可实现显著的焦耳热效应。实验表明,当施加低电压时,表面焦耳加热温度极为容易突破水的沸点(100摄氏度),最高加热温度可达到385摄氏度,而且启动时间短,加热温度可调(图4)。随着电压即输入功率的增加,界面蒸发可实现大幅度提升。疏水性碳布在3 伏特低电压下,蒸发速率高达45.87 kg m 2 h 1(图5)。

持续、稳定、高速率的光热/焦耳热界面蒸发助力海水淡化
图4 石墨烯-碳纤维布复合结构的焦耳热性能
持续、稳定、高速率的光热/焦耳热界面蒸发助力海水淡化
图5 石墨烯-碳纤维布复合结构的焦耳热界面蒸发

这项研究工作取得了太阳光热海水淡化、界面蒸发领域的突破性进展。利用电场焦耳热和太阳能光热相结合的策略,有望成为稳定持续、高速率界面蒸发的最有效的解决方案,在海水淡化、污水处理、饮用水净化和新能源利用等方面具有广阔的前景,为可持续发展、环境保护、气候变化和缓解淡水资源短缺等问题提供了一种极具潜力的解决方案。

论文获得了审稿人高度评价,“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”,并被Advanced Sustainable Systems选为该刊2020年第4卷第3期正封面(https://onlinelibrary.wiley.com/toc/23667486/2020/4/3)。

该项目获得了英国创新署(Innovate UK, Grant 104013)、英国研究与创新署(UK Research and Innovation, UKRI),全球研究挑战基金(Global Challenges Research Fund,简称GCRF)和上海市科委(STCSM, Grant 17230732700)的资助。
原文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adsu.201900122

相关新闻

微信