重庆大学李猛/弗吉尼亚理工大学Li Ling《AFM》:仿生分形结构设计助力生物质源高效界面太阳能水蒸发

重庆大学李猛/弗吉尼亚理工大学Li Ling《AFM》:仿生分形结构设计助力生物质源高效界面太阳能水蒸发    近年来,淡水资源匮乏和能源问题已经成为世界各国面临的主要难题。海水淡化是解决淡水问题的有效方法,应用界面太阳能蒸发系统的太阳能海水淡化技术由于其环保、节能、高效的特点引起了广泛的关注。目前,着眼于大规模工业化应用,提高光热转换效率与降低光热转换材料生产成本是界面光热系统的主要挑战。大量研究表明,通过采用廉价生物质作为原材料能够有效制备低成本、高效率的太阳能光热转换材料,然而目前研究大多依赖于生物材料的原始微观结构,具有一定的局限性。进一步进行多尺度结构设计,优化生物质衍生的光热转换材料对于提高太阳能利用和精确控制光热性能至关重要。

    大自然是最优杰出的结构设计师,得益于其精巧的结构设计,许多动植物深谙太阳能利用之道。例如,大树非常善于通过它们的分形结构高效利用太阳能进行光合作用;一些黑色的蝴蝶也进化出了独特的微纳结构有效吸收太阳光用以调节机体温度等。有鉴于此,重庆大学柔性能源材料与器件团队的李猛课题组(重庆大学-新加坡国立大学新能源材料与器件联合实验室)与美国弗吉尼亚理工大学的Li Ling课题组合作,结合废弃生物质柚子皮中固有的微观多孔结构,提出了一种基于仿生分形结构设计的新型生物质衍生的太阳能光热转换材料应用于环境友好、低成本的界面太阳能水蒸发系统。该材料具有极高的太阳光谱吸收率(~98%),优异的蒸发率(1.95 kg m-2 h-1)和显著的光热转换效率(~92.4%)。研究采用材料学科与工程热物理学科交叉的研究思路,利用数值计算和实验等方法探究了分形结构设计对热质传递的影响机理,并对材料的成本优越性及其在污水处理方面的潜力进行了研究,为开发生物废料衍生的太阳能光热转换材料和及构建应用于高效太阳能热蒸发的仿生结构提供了新思路。该研究近期以题为Bioinspired Fractal Design of Waste Biomass Derived Solar-thermal Materials for Highly Efficient Solar Evaporation的论文发表在《Advanced Functional Materials》上,文章通讯作者为重庆大学李猛副教授和弗吉尼亚理工大学Li Ling 助理教授,第一作者为重庆大学硕士生耿阳。

【仿生分形光热转换材料的设计与制备】

    作者将直接碳化后的废弃生物质柚子皮作为碳基骨架,利用简便的机械冲孔技术与电沉积技术结合制备获得了具有仿生分形结构的碳化柚子皮光热转换材料(FCPP):首先经过浸泡,干燥等预处理后,将柚子皮置于900℃氮气氛围碳化获得碳基多孔骨架;然后将冲孔钻刀垂直于碳材料表面利用机械冲孔技术以六边形排列图案构造毫米级孔阵列;随后构建碳基骨架为工作电极,铂电极为对电极,饱和甘汞参比电极的三电极体系,利用电沉积技术在柚子皮天然微观孔结构孔壁上生长纳米线簇获得纳米多孔结构。如图1d-i所示,制备获得的FCPP材料具有毫米-微米-纳米多尺度的自相似结构,每级结构均由三个小孔的单元集合构成,具有多级自相似的特点,这与自然界中树枝的多级自相似的分形结构异曲同工。得益于FCPP的多尺度孔结构该材料具有极低的密度,可轻易放置于叶片之上。

重庆大学李猛/弗吉尼亚理工大学Li Ling《AFM》:仿生分形结构设计助力生物质源高效界面太阳能水蒸发 图1. FCPP的分形结构与形貌。

【仿生分形结构的光热强化机理与实际应用实验】

    作者通过实验方法和数值方法相结合,系统地评估了宏观分形孔结构对该光热转换层热质传递的影响。使用基于光线跟踪模拟软件TracePro70,结合ANSYS FLUENT(Gambit 2.4.6)进行数值模拟,和实验测量数据进行比对,得到结论:宏观孔结构对光线具有限域作用(图2a-b),其深径比是一重要参数。具有更大的深径比的孔结构的材料可以获得更好的蒸发性能(图2c)。同时,如图2d-e所示,模拟温度云图和红外成像结果可以看出,材料表面孔中心的温度最高,且对模拟和实验测量进一步定量分析可以发现随着深径比的增加中心温度呈现先快速升高后缓慢升高的趋势。这表明深径比高的孔径对光线具有更强的限制作用,通过强化光限域与热聚集作用促进孔结构内部进行更高强度的光热转换,提高孔内温度从而获得更好的工质相变传热特性。然而该促进作用随着深径比的增大渐弱,因此从加工难度和成本角度出发应该将宏观孔结构的深径比控制在合理范围。

    作者还通过研究发现FCPP中的纳米分形孔结构具有与黑色蝴蝶翅膀上的鳞片相似的纳米多孔结构,该结构能够有效的减少光在材料表面的反射强化光吸收,提高太阳能光谱吸收率。另外,该结构还可以在相变过程中促进材料表面水层的形成从而减少材料表面产生的辐射热损失,提高热利用率,是优化热管理的有效策略。

重庆大学李猛/弗吉尼亚理工大学Li Ling《AFM》:仿生分形结构设计助力生物质源高效界面太阳能水蒸发图2. 宏观分形孔结构对光的限域机理。

    作者还对实际应用的装置进行了系统设计,并进行了一系列实际应用实验。该实验装置在户外实验中展现了良好的产水速率(图3a-b),通过初步的成本计算表明,采用该技术进行大规模工业化海水淡化与现主流海水淡化技术相比具有明显的成本优势(图3c)。室内模拟实验中,FCPP对模拟海水蒸发速率与去离子水蒸发速率相当(图3d),蒸发后收集获得的冷凝水中四种主要阳离子浓度显著降低达到饮用水标准(图3e)。除此以外,作者还将所设计的材料用于有机污水淡化,并进行了稳定性研究(图3f-h),结果表明FCPP除海水淡化外还可用于有机污水淡化,并具有极好的运行稳定性。以上结果皆说明该基于FCPP光热转换材料的界面太阳能水蒸发系统具有广阔的工业应用前景。

重庆大学李猛/弗吉尼亚理工大学Li Ling《AFM》:仿生分形结构设计助力生物质源高效界面太阳能水蒸发图3. FCPP在实际应用中的性能研究。

【总结】

    在本工作中,作者提供了一种开发生物质衍生的太阳能光热转换材料并对其进行分形结构设计以实现有效太阳能蒸发的新颖策略。使用该方法,将生物废料制造成低成本,对环境友好,可实现高效太阳能海水淡化的新型太阳能光热转换材料。作者还通过数值模拟和实验方法探讨了仿生分形结构对材料表面热质传递的影响机制。并对该系统在海水淡化中的应用成本以及对部分有机污水淡化的可行性进行了探讨,说明所设计的太阳能光热转换材料未来具有良好的工业应用前景。

Yang Geng, Wan Sun, Peijin Ying, Yujie Zheng, Jun Ding, Kuan Sun, Ling Li, Meng Li, Bioinspired Fractal Design of Waste Biomass-Derived Solar-Thermal Materials for Highly Efficient Solar Evaporation, Adv. Funct. Mater., 2020, DOI:10.1002/adfm.202007648

重庆大学李猛课题组在界面型太阳能光热转换课题系列工作:

1、界面太阳能水蒸发系统中的多级碳网络的构建与系统水输运的定量分析:

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.08.055

2、半导体光热转换材料与器件的带隙工程研究:

 https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c09965

更多信息请访问“重庆大学柔性可再生能源材料与器件课题组”网站:https://www.x-mol.com/groups/LaFREMD

作者介绍

第一作者

重庆大学李猛/弗吉尼亚理工大学Li Ling《AFM》:仿生分形结构设计助力生物质源高效界面太阳能水蒸发耿阳,重庆大学能源与动力工程学院在读硕士生。2018年6月获得重庆大学学士学位,随后进入重庆大学柔性可再生能源材料与器件课题组学习,导师为李猛副教授。目前主要从事界面型太阳能光热系统的开发与应用研究,第一/共同作者在Carbon、Advanced Functional Materials等国际期刊发表SCI论文多篇。

通讯作者

重庆大学李猛/弗吉尼亚理工大学Li Ling《AFM》:仿生分形结构设计助力生物质源高效界面太阳能水蒸发李猛,副教授,博士生导师,重庆市高层次人才。2015年博士毕业于新加坡国立大学材料科学与工程学院,2016年加入重庆大学能源与动力工程学院,主要从事纳米仿生能源材料的能量存储与转换方面的研究与教学工作。目前,在Advanced Functional Materials, Nano Energy, ACS Applied Materials and Interfaces, Journal of Materials Chemistry A,Carbon等国际知名期刊上共发表SCI论文50余篇,论文被引1500余次,H-index为24(Google scholar),主持国家自然科学基金项目、重庆市自然科学基金项目、军队预研项目及重庆大学人才引进启动经费等科研项目。

重庆大学李猛/弗吉尼亚理工大学Li Ling《AFM》:仿生分形结构设计助力生物质源高效界面太阳能水蒸发Ling Li,美国弗吉尼亚理工大学助理教授,2008年获新加坡国立大学荣誉学士学位,2014年获麻省理工学院材料学博士学位,2014至2016年在哈佛大学工程与应用科学学院和Wyss研究所从事博士后研究。2017年加入弗吉尼亚理工机械工程系开始独立科研工作,主要从事生物结构材料,自组装纳米功能材料以及仿生材料等方面的研究工作。已在Science, Nature Materials, Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Functional Materials 等顶尖期刊发表多篇(封面)文章,其工作在世界范围内被一百多家媒体报道(包括MIT News, Harvard SEAS, BetaBoston, ScienceNews, Nature World News, China Topix等)。多次受邀参加国际学术会议大会报告或担任分会主席等。近年所获重要国际学术奖项包括:3M Non-Tenured Faculty Award 2020, , NSF CAREER Award 2020, MIT TR35 China Award 2019, 和 Rosalind Franklin Young Investigator Award 2016。

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参考文献: