二維超泡沫在改善太陽能水蒸發(fā)的應(yīng)用研究-摩方精密

作為最。有。效的水凈化方法之一，太陽能凈化水已獲眾多研究學(xué)者的關(guān)注。一方面，利用太陽能凈化水非常環(huán)保，另一方面，該工藝所需的設(shè)備安裝和操作要求相對較低。為了提高太陽能凈化水的效率，已有學(xué)者提出了幾種凈化方法，如預(yù)熱法、夜間加熱法和附加熱源法,帶有黑色吸收片（BAS）的增強(qiáng)型太陽能蒸餾法（SSG）就是其中的一種方法。但SSG蒸發(fā)只發(fā)生在水-氣界面，如何增加加熱過程中界面面積成了提高SSG效率的關(guān)鍵。此外，BAS材料本身的性能也是SSG的速率的重要影響因素。

大量研究發(fā)現(xiàn)，微尺寸多孔結(jié)構(gòu)BAS可以提高SSG的蒸發(fā)速率：一方面，這種結(jié)構(gòu)大大增加了水-氣界面；另一方面，BAS自身具有高吸收率和良好的隔熱性能，這既能夠減少熱量損失，又能夠提高吸熱效率。此外，雙層BAS能夠進(jìn)一步提高SSG的速率。通常，BAS可以由化學(xué)方法或者碳化方法制得，然而這樣制得的BAS的孔徑的大小和孔的分布都是隨機(jī)的，無法可控地得到最佳的蒸發(fā)速率。為了進(jìn)一步優(yōu)化SSG，古斯塔夫•埃菲爾大學(xué)的Elyes Nefzaoui團(tuán)隊(duì)與巴黎東大Tarik Bourouina以及西安交通大學(xué)的韋學(xué)勇教授聯(lián)合提出了一種二維超材料泡沫（meta-foams），這種超泡沫具有確定的孔徑和規(guī)則的孔分布，在優(yōu)化研究中可作為有效可控的模型，該團(tuán)隊(duì)也將這種超泡沫作為表面增強(qiáng)型太陽能水蒸發(fā)器的研究工作中。

在該研究工作中，納米黑硅（B-Si）因其在可見光到近紅外波段具有優(yōu)異的吸收率和光熱性能被用作超泡沫材料。采用等離子刻蝕制備了具有分層納米結(jié)構(gòu)和周期性二維多孔超泡沫，并就孔徑大小、孔的數(shù)量對蒸發(fā)速率的影響進(jìn)行了探索。研究發(fā)現(xiàn)：孔徑和孔的數(shù)量是一把雙。刃劍，一方面，孔徑和數(shù)量要盡可能的多，以保證系統(tǒng)能提供充足的水量；另一方面，孔徑過大和數(shù)量過多會(huì)導(dǎo)致吸收的熱量減少。此外，研究團(tuán)隊(duì)也設(shè)計(jì)了雙層系統(tǒng)，以保證可靠的吸水性、穩(wěn)定的吸熱和隔熱性能。

實(shí)驗(yàn)表明，在一次太陽光輻射、常溫、相對濕度為58%時(shí)，直徑20μm的B-Si超泡沫樣品最佳蒸發(fā)速率可達(dá)到1.34 kg/(h?m2)，轉(zhuǎn)換率可以達(dá)到可觀的89%（實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，理論蒸發(fā)速率可達(dá) 1.5 kg/(h?m2）），蒸發(fā)速率是普通蒸餾法的3.96倍。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了另外一種低成本制造超泡沫的方法：借助摩方高精度3D打印設(shè)備(nanoArch S130,摩方精密)制作超泡沫樣品。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在同一實(shí)驗(yàn)條件下，孔徑為275μm的3D打印的超泡沫的蒸發(fā)速率為1.32 kg/（h?m2）。這個(gè)結(jié)果與B-Si超泡沫的最佳值相當(dāng)，在SSG中顯示出非常*的性能。3D打印的超泡沫可以作為B-Si超泡沫的低成本代替品，具有很好的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

圖1.超泡沫的概念示意圖:(a)由二維周期結(jié)構(gòu)制成的優(yōu)化超材料，(b)應(yīng)用于優(yōu)化太陽能水凈化，(c)B-Si周期性微孔超泡沫的SEM圖像。測量的吸收光譜:(d)不同多孔表面的原始測量數(shù)據(jù)，(e)暴露在太陽輻射下的結(jié)構(gòu)表面有效吸收率。

圖2.二維B-Si超泡沫：(a)斷面示意圖，(b)用于實(shí)驗(yàn)樣品照片，(c)三種不同超泡沫材料的蒸發(fā)速率，與常規(guī)泡沫蒸發(fā)速率和自然水蒸發(fā)速率進(jìn)行了比較。

圖3.3D打印的超泡沫：(a)圓柱微孔的截面SEM視圖，(b)三種不同的超泡沫的蒸發(fā)速率，并與自然水蒸發(fā)速率進(jìn)行了比較。

圖4.吸收率和蒸發(fā)速率、表面平衡溫度的函數(shù)關(guān)系

圖5.孔隙率和蒸發(fā)速率的函數(shù)關(guān)系

圖6.硅基二維超泡沫的制作過程

此外，該團(tuán)隊(duì)還用海水對二維超材料超泡沫的表面強(qiáng)化型太陽能蒸餾進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評估：將超泡沫在海水中浸泡了14天，并與同等實(shí)驗(yàn)條件下用去離子水浸泡的超泡沫進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在海水中浸泡14天后，超泡沫在SSG的蒸發(fā)性能降低約7%-9%。從圖7可推測，蒸發(fā)性能降低很可能是由于結(jié)晶鹽堵塞了超泡沫的孔隙，導(dǎo)致吸收率的降低。如果能夠解決孔隙堵塞的問題，那么具有BAS超泡沫結(jié)構(gòu)的SSG在海水凈化方面將發(fā)揮巨大的應(yīng)用潛力。

圖7.（a）海水蒸發(fā)速率和去離子水蒸發(fā)速率的對比（b）海水中浸泡之前超泡沫表面的顯微鏡圖像（c）海水中浸泡之后超泡沫表面的顯微鏡圖像

該研究成果以題為：Two-dimensional metamaterials as meta-foams for optimized surface-enhanced solar steam generation發(fā)表在《Solar Energy Materials & Solar Cells》期刊上。