蘇州納米所藺洪振團(tuán)隊(duì)等ACS Energy Letters：調(diào)控光熱蒸發(fā)膜孔隙邊界層效應(yīng)提升太陽能水蒸發(fā)效率
太陽能驅(qū)動(dòng)的界面水蒸發(fā)具有節(jié)能性、水處理成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，基于光熱材料的界面蒸發(fā)器通常依靠其自身特殊的多孔結(jié)構(gòu)且比表面積大，能夠與水體緊密接觸，充分利用太陽能，使其成為研究熱點(diǎn)。 此外，對(duì)界面蒸發(fā)器采用親水涂層或位點(diǎn)修飾的光熱材料，也能調(diào)控水的分子狀態(tài)，提升水蒸氣產(chǎn)生與效率。然而，就特定的光熱材料和體系而言，水蒸氣擴(kuò)散速率嚴(yán)重受到光熱材料中孔隙的變化的影響，分布不均及孔徑不一的孔隙結(jié)構(gòu)與蒸發(fā)水分子之間形成強(qiáng)大粘滯力，這嚴(yán)重阻礙太陽能蒸發(fā)器的效率。為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究人員主要集中在構(gòu)建與制備各種結(jié)構(gòu)化多孔光熱材料。然而，設(shè)計(jì)的孔結(jié)構(gòu)是隨機(jī)的，缺乏有力的理論指導(dǎo)。由于流體粘滯力的存在，流體會(huì)沿通道表面形成流速梯度，形成所謂的擴(kuò)散邊界層，產(chǎn)生邊界層抑制效應(yīng)，阻礙水蒸氣擴(kuò)散，降低蒸發(fā)效率。特別是，由于扭曲通道和不均勻孔徑分布等因素引起的強(qiáng)大粘性力，隨機(jī)交聯(lián)孔隙中的邊界層厚度顯著增大。因此，亟需消除嚴(yán)重的邊界層抑制效應(yīng)是進(jìn)一步提高太陽能蒸發(fā)器產(chǎn)水能力的有效途徑及當(dāng)前發(fā)展的迫切需求。
針對(duì)上述問題，中科院蘇州納米所藺洪振團(tuán)隊(duì)聯(lián)合江蘇省農(nóng)科院肖清波團(tuán)隊(duì)、成都大學(xué)陳瑜團(tuán)隊(duì)以及德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院電化學(xué)研究中心王健博士，從如何消除受限水蒸發(fā)邊界層效應(yīng)的角度，提出了低曲折度多孔蒸發(fā)器 (LTPE)，以突破長(zhǎng)期存在的蒸汽擴(kuò)散限制。在該設(shè)計(jì)中，結(jié)合理論模擬，所構(gòu)筑的多孔結(jié)構(gòu)可以有效地消除長(zhǎng)距離有序低曲折通道中的擴(kuò)散邊界層厚度，從而能夠以低擴(kuò)散阻力提高蒸發(fā)速率。因此，LTPE 的蒸汽擴(kuò)散速度比傳統(tǒng)材料快 260%，在 4.0 m s-1的流速及一個(gè)太陽光強(qiáng)度下，水分蒸發(fā)率達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的 16.8 Kg m-2 h-1。 此外，3D 結(jié)構(gòu)徑向互連通道還可以在任意太陽照射和對(duì)流下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定快速的水蒸發(fā)，顯著提升了室外廢水處理能力。
圖1. 流體在孔道擴(kuò)散存在的邊界層效應(yīng)的結(jié)構(gòu)示例圖
圖2. 理論模擬比較不同結(jié)構(gòu)通道邊界層抑制效果
圖3. LTPE 低曲折通道的物化性質(zhì)表征
圖4. 消除低曲折通道中的邊界層重疊以增強(qiáng)的蒸汽擴(kuò)散的研究
圖5. 模擬廢水處理的LTPE的水分蒸發(fā)穩(wěn)定性的性能研究
相關(guān)工作以Improving Solar Vapor Generation by Eliminating the Boundary Layer Inhibition Effect of Evaporator Pores為題發(fā)表在ACS Energy Letters上。通訊作者為王健博士、陳瑜教授、藺洪振研究員以及肖清波研究員。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、江蘇省自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目資助。
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