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《National Science Review》和《Advanced Materials》刊登现代工程与应用科学学院朱嘉教授研究组在高效太阳能光热转换方面的最新进展

我校现代工程与应用科学学院朱嘉教授研究组,在高效太阳能光热转换方面取得新进展,近期以《Three-dimensional artificial transpiration for efficient solar waste water treatment》和《Mushrooms as efficient solar steam-generation devices》为题分别发表在National Science Review (DOI: 10.1093/nsr/nwx051)和 Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201606762)和上。课题组博士生李秀强为第一篇文章的第一作者,博士生徐凝与助理研究员胡晓珍为第二篇文章的共同一作,朱嘉教授是论文的通讯作者,这一系列工作得到了南京大学祝世宁院士的指导与支持。

 

高效的太阳能转换与利用被视为国家能源的重大需求,其中光-热(蒸汽)的转化在海水淡化,水处理,化工,灭菌等领域展现出很好的应用前景。然而由于光学和热学的损耗,传统的光-热(蒸汽)转化效率较低 (~40%),很大程度上限制了其广泛应用。朱嘉教授课题组围绕高效界面光热转换,做出了一系列工作:首先成功地实现了最黑等离激元吸收体的制备 (Science Advances, 2, e1501227 (2016));在此基础之上实现了首个基于等离激元增强效应的太阳能海水淡化器件(Nature Photonics, 10, 393-398 (2016)),从而很大程度解决了系统的光学损耗问题;随后通过二维水通道设计和氧化石墨烯气凝胶结构大大降低了器件向水体的热传导损耗 (PNAS, 113, 13953-13958 (2016);Advanced Materials,29,1604031-1604037 (2017))。而最新的这两项工作从三维结构入手,利用天然“蘑菇”和“三维人工蒸腾”结构,最大限度地解决在实际应用中太阳能入射角带来的光学损耗和三项主要热学损耗 (热传导,热对流和热辐射)问题。

 

(1) 发表在Advanced Materials的工作,首次利用生物体,碳化前后的香菇作为光热转化器件 (如图1所示),充分利用其天然优良的宏观及微观结构:伞状的黑色菌盖,多孔结构的菌肉,横截面积小且纤维状的菌柄,实现高效的光吸收,有效的水供应和蒸汽逸散,且同时能极大地降低热耗散。香菇柄底端和水体接触,将水传输和热传导限制在这个准一维通道内(通道截面积不到吸光截面积的十分之一),在保证有效水供应的同时极大抑制了热向水体传输所产生的传导耗散; 伞状的弧形菌盖产生了更大的蒸发面积且降低了工作温度,进而有效控制了热对流和热辐射的损耗(如图2所示),从而在无需外界聚焦的条件下,香菇和碳化后的香菇分别可达到~62%和~78%的光-蒸汽转换效率。

 

(图1. (a) 基于香菇的光热转化器件示意图,(b, c)碳化前后香菇的宏观结构

(图2 太阳下香菇结构的热行为分析)

 

(2) 发表在National Science Review的工作则首次提出并实现了“人工蒸腾”结构,突破了传统二维平面器件的局限,三维的空心锥形结构 (如图3所示),可大大缓解了器件在真实环境中对太阳光入射角的依赖性,同时有效地降低了器件的蒸发温度,进而有效控制了热对流和热辐射的损耗。“人工蒸腾”结构的另一个优势是通过一维的供水通道有效控制热传导损耗,从而首次实现了无外界辅助、正常光照条件下85%以上的光-蒸汽转换效率。在应用层面,该工作首次将界面光-蒸汽转换拓展到重金属污水处理上。实验结果表明:该技术不仅可以得到符合饮用标准的水,同时也可有效的回收重金属(如:金,铜等),为高效的太阳能光-热(蒸汽)的利用和发展提供新的思路。

(图3. (a) 传统的光-热(蒸汽)转化器件示意图,(b) 三维(3D)人工蒸腾器件示意图。)

 

朱嘉教授研究组近年来围绕基于微纳结构的高效光热转换的研究,取得连续进展, 已引起学界、产业界的广泛关注。 这一系列研究得到了国家重点基础研究计划 (973), 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)


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