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浙江农林大学沈哲红/陈浩课题组:计算机模拟引导高效水蒸发器设计
材料人公众号 / 时间:2022-04-10 22:00:30

材料人公众号4月9日讯:近日,浙江农林大学沈哲红/陈浩课题组在Energy & Environmental Materials上发表题为“Simulation-Guided Design of Bamboo Leaf-Derived Carbon-Based High-Efficiency Evaporator for Solar-Driven Interface Water Evaporation”的研究论文。对于高性能低成本水蒸发器的研究和开发具有重要引导意义。第一编辑:吴倚天。

亮点

1. 使用计算机光路模拟作为引导,优选高效光吸取结构用于蒸发器的制作,显著提升太阳能蒸发器效率,为高效蒸发器的设计制造提供引导思路;

2. 竹叶作为低价生物质,产量高,但基本未产生经济价值。本研究实现了竹叶在太阳能蒸发器制作中的成功应用,有助于大幅降低蒸发器成本,同时有望实现竹叶的高附加值利用;

3. 只需将竹叶进行简单排列、碳化、水凝胶复合便可轻松制得蒸发器,该蒸发器具有大规模生产应用的潜力。

引言

太阳能界面水蒸发方法通过加热水-空气界面,将热量留存在水的蒸发位置(表面),实现了极低的热损耗和极高的太阳能利用率,是一种先进的淡水生产方法。光热转化是太阳能界面水蒸发的关键步骤,亦是其限速步骤,因此提升蒸发器的光吸取效率至关重要。

然而,为提高光吸取效率,无论是拓宽材料自身吸取光谱还是构筑多级吸光结构,当前都存在成本高、制备工艺复杂等问题。因此,如何通过简单高效方法设计和制作成本低、效率高的蒸发器,是太阳能界面水蒸发走向实际应用面临的一个巨大挑战。

内容简述

近日,浙江农林大学沈哲红/陈浩课题组以计算机模拟设计为引导,优选高效光吸取结构,以天然竹叶为原料,经排列、碳化、水凝胶复合,制备了集光吸取、光热转化和水分运输功能于一体的太阳能界面蒸发器。

该工作中,蒸发器制备方法简单,成本低廉。蒸发器通过竹叶的垂直排列、碳化以及随后的聚丙烯酰胺(PAM)改性即可制成,不需要其他的组装步骤,因此易于规模化放大生产。竹叶具有易获取、可再生、低成本的特点,可大幅降低蒸发器生产成本。

该蒸发器具有独特的结构设计。一方面,通过光线追踪模拟引导设计的垂直排列的炭结构可以扩展光路,增加吸光面积,从而达到优良的光吸取效果。另一方面,聚丙烯酰胺水凝胶在垂直片状炭之间的连续分布,可以支撑高速的水分输送,缩短蒸发路径。

得益于上述特点的综合作用,该蒸发器具有极高的平均光吸取率(~97%)、良好的水分蒸发率(1.75 kg m-2h-1)、以及优异的太阳能-蒸汽转化效率(91.9%)。基于该蒸发器的设备可以在完成水分蒸发的同时,同步实现海水淡化、重金属离子去除、染料分离等功能。此外,该蒸发器适用于户外并可重复利用。

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图1.(a)蒸发器PVCBL制备过程和自制蒸发装置的结构示意图;(b)蒸发装置的剖面细节图。

小结

该工作通过计算机模拟的方法,设计了高效光吸取结构,并以天然竹叶为原材料,将其碳化后与水凝胶复合,构筑了一种集光吸取、光热转化和水分运输功能为一体的高效太阳能界面水蒸发器。研究工作为高效太阳能界面水蒸发器的设计提供了创新思路,有助于解决全球淡水短缺问题。

文章链接

Yitian Wu, Rui Kong, Chaoliang Ma, Lanze Li, Yu Zheng, Yingzhuo Lu, Lulu Liang, Yajun Pang*, Qiang Wu, Zhehong Shen*, Hao Chen*. Simulation-guided design of bamboo leaf-derived carbon-based high-efficiency evaporator for solar-driven interface water evaporation.Energy Environ. Mater.2021.DOI: 10.1002/eem2.12251

详情参阅论文:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12251


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