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朱嘉教授课题组光热转换新进展:快速、低能耗

2019-12-16 05:35

图2. 基于界面加热和体块加热的太阳蒸汽生产的响应速度及能量消耗对比。界面加热和体块加热的示意图。温度随时间变化曲线。模拟连续灭菌操作。基于界面加热的太阳能蒸汽灭菌器与其他灭菌器的性能对比。

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图1. 基于体块加热和界面加热的太阳能灭菌对比示意图

界面光热转换作为新兴太阳能技术因其高转换效率及在海水淡化、水处理等诸多领域的应用前景,引起学界、产业界的广泛关注。过去一段时间的发展,诸多工作聚焦于通过材料结构设计、光学调控、热学管理以及水通道的设计来提高光-蒸汽的转化效率。然而业界通常认为因为吸收体向环境的能量耗散(包括光学与热学损耗)不可避免,因此最大的蒸发量会受限于太阳能功率密度而存在上限(按照标准太阳能谱计算,~1.47L/m2/h),光-蒸汽产生的净蒸发量会趋近但无法超过这一上限。

近日,我校现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在高效“界面光热转换”领域取得新进展,揭示了界面光热转换的动力学优势并应用在蒸汽灭菌领域中,该工作以《Interfacial solar steam generation enabled fast responsive, energy efficient and low cost off-grid sterilization》为题发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201805159)。课题组硕士研究生李金磊为该论文的第一作者,朱嘉教授为论文的通讯作者,该工作得到了南京大学生命科学院刘常宏教授课题组、杨永华教授课题组、斯坦福大学材料工程系Luca Bertoluzzi博士的帮助和支持,和南京大学祝世宁院士的指导和支持。

图1. 传统界面光蒸汽转化 与环境能量增强的界面光蒸汽转化对比示意图

朱嘉教授课题组近几年一直系统地研究高效界面光热转换及其在太阳能海水淡化、水处理等领域的应用。区别于传统的体块加热,界面光热转换过程中仅将位于水-气界面的水分子持续不断地活化变为蒸汽,而大部分水体仍然可以保持在较低的温度状态。之前“界面光热转换”领域的工作主要关注其热力学优势,即太阳能-蒸汽的高能量转换效率;而这一工作首次揭示了其动力学优势,即由于只需要加热界面水分子,“热质量”被大大降低,从而产生高温蒸汽并达到稳态的速度会有量级提升。

beat365亚洲官方网站,这一工作受到国家重点基础研究计划,国家自然科学基金委群体及面上项目,中央高校基本科研业务费专项基金,江苏省优势学科等项目的支持。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

蒸汽灭菌是医疗过程中使用最为广泛、最为可靠的灭菌方式之一。但传统的蒸汽灭菌技术需要消耗电能,而在发展中国家和地区,约有15亿人长期缺乏电能供给;在野外、灾害等特殊场景下,电力的稳定供应也无法保障。有效、可靠的灭菌技术的匮乏使得这些地区的人民暴露在多种危险的由病原体感染导致的流行疾病下。因此,为离网地区与特殊场景提供一种可靠、高效、低成本的灭菌方式迫在眉睫。

近日,南京大学现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在高效界面光热-蒸汽转换上取得最新进展。该工作以《Enhancement of interfacial solar vapor generation by environmental energy》为题发表在Cell press旗下期刊Joule上(DOI:https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.04.004)。课题组博士研究生李秀强与硕士研究生李金磊为该论文的共同第一作者,朱嘉教授为论文的通讯作者,该工作得到了阿联酋哈利法科技大学张铁军教授课题组的帮助和支持,同时也得到了南京大学祝世宁院士的指导和支持。

如图2所示,基于界面加热的太阳能灭菌技术可以快速、高效地产生蒸汽;达到更高的准稳态蒸汽温度,大大缩短灭菌过程的保温时间;同时也可快速地冷却下来,这有利于连续灭菌循环操作,从而极大的提高灭菌器的处理能力。该系统在响应速度和单位蒸汽的能耗均要优于商业化的传统灭菌以及其他太阳能蒸汽灭菌技术。

针对这一问题,朱嘉教授团队提出了新的材料结构设计思路,可以使环境从能源耗散方变成能源的供给方;吸收体从环境有净能量输入,从而有效增强蒸发,打破传统认为的蒸发极限,即100%太阳能利用情况下的蒸发量。要实现这一环境能量增强的光-蒸汽产生,需要在宏观尺度上设计了一系列不连续的柱状蒸发体。这些不连续的蒸发体可为蒸汽逸散提供有效通道,增大蒸发体的有效蒸发面积,同时一维水通道的设计可有效降低热损失。在微观尺度上,利用具有多级连通孔结构的亲水纤维素膜作为包覆层包覆在柱状蒸发体外来进一步增大有效蒸发面积;同时利用具有高吸光系数的碳纳米颗粒沉积在纤维素膜上作为吸收体来充分利用太阳能。通过精细结构调控,最终可实现在正常光照条件下,吸收体的平均温度低于环境温度。在此情况下,环境能量可有效增强蒸发,使得蒸发量可以超过传统认为极限,即100%太阳能利用下的蒸发量。

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