古老的蒸汽機 or 現代太陽能蒸汽動力？

水蒸發作為一種自然界基本現象，包含在細胞新陳代謝到氣候變化的各種現象中。自第一次工業革命到現代工業一直扮演著重要角色，從蒸汽機帶動火車、蒸汽機帶動工廠設備到現在的相變儲能、蒸汽發電、水凈化以及散熱等等。但目前水蒸汽產生所需的能量主要是通過化石燃料的燃燒來提供，這既會浪費能源有會產生對環境有害的副產品^[1]。因此，利用太陽能進行水的凈化、水蒸汽發電等活動在現代工業過程中具有十分重要的意義，光熱轉化材料的研究、加快水蒸發材料結構的設計與研究也就變的迫在眉睫。今天就和大家一起來看一下相關的研究。

1、材料在太陽能量收集方面的研究

利用太陽能使水變成蒸汽的過程，最關鍵最基礎的一步是光能到熱能的轉化。可以吸收太陽能完成這一使命的材料有很多，包括半導體顆粒材料、聚合物材料、碳材料、等離子體材料等等。

1.1 Advanced Materials: 窄帶隙Ti₂O₃納米顆粒的高性能光熱轉化

半導體材料因其高可調能帶和內在熱化過程而得到廣泛應用，陳曉東課題組提出了一種三價鈦離子的半導體材料Ti₂O₃用于吸收太陽能量^[2]，該材料具有0.09eV左右的超小能帶間隙，因而表現出極好吸收性能，吸收率最高可達92.5%。相關研究以“High-Performance Photothermal Conversion?of Narrow-Bandgap Ti₂O₃?Nanoparticles”為題發表在Advance Materials 上。

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DOI：10.1002/adma.201603730

圖1 窄帶隙Ti₂O₃納米顆粒在蒸發水分方面的性能

1.2?Advanced Materials: 應用于腫瘤細胞熱消融的高光熱轉化效率的聚吡咯納米顆粒

除了利用超窄帶隙的半導體材料吸收太陽能量，合成的共軛聚合物，具有共軛π鍵，呈現出與半導體材料類似的可調能帶間隙的性質。戴志飛課題組合成了一種聚吡咯納米顆粒^[3]，該材料具有良好的光穩定性，同時近紅外的吸收能力強，光熱轉換效率遠遠高于目前已知的金納米棒。相關研究以“Uniform Polypyrrole Nanoparticles with High Photothermal Conversion Effi ciency for Photothermal Ablation of Cancer Cells”為題發表在Advance Materials 上。

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DOI：10.1002/adma.201202211

圖2 聚吡咯納米顆粒對光的吸收性能

1.3 Advanced Materials: 用于靈活高效太陽能-熱能轉換的自組表面結構多層聚吡咯納米片

太陽能的收集要求材料具備太陽能-熱能轉化能力之外，還需要通過微米和納米結構增強光能的吸收以提升能量的轉化效率。一方面可以通過降低材料的透射率和反射率來提高材料的光熱轉化效率；另一方面，可以通過增加光在材料中的光程，也就是增加光在材料中的傳播距離來盡可能多的吸收能量。徐航勛課題組提出了一種自組表面多層聚吡咯納米片結構來提高光熱的轉化效率^[4]，利用該結構的光熱轉化效率高達95.33%。相關研究以“Multilayer Polypyrrole Nanosheets with Self-Organized Surface Structures for Flexible and Efficient Solar–Thermal Energy Conversion”為題發表在Advance Materials 上。

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DOI：10.1002/adma.201807716

圖3 自組表面結構多層聚吡咯納米片的轉化效率

1.4?ACS Applied Materials & Interfaces: 用于高性能太陽能蒸汽發電的耐用低成本火焰處理木材

太陽能轉化后的能量主要有三部分去處，為水分蒸發提供能量、材料輻射能量損失和系統散射給周圍環境的能量。由于吸收能量的主要目的是獲得蒸汽動能，因此第一部分能量的多少決定了系統的能量使用效率，通過材料改善和結構設計提高傳遞到水表面的能量是一個行之有效的方法。周軍課題組設計了一種經過火焰處理后的木材^[5]，該木材有超高的太陽吸收率約99%，低導熱系數0.33W/m²，同時木材具有較好的親水性，可以將能量有效的傳遞給水。在太陽強度為1kW/m²時，熱效率可達72%。相關研究以“Robust and Low-cost Flame-Treated Wood for High-Performance Solar Steam Generation”發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

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DOI：10.1021/acsami.7b01992

圖4 耐用低成本火焰處理木材

2、材料在水熱交換管理方面的研究

2.1 Energy & Environment Science：利用漂浮吸光磁粒子增強太陽能蒸發

具備足夠的水蒸發能量后，要想使水蒸氣的不斷產生并且提供持續的動力，需要在水蒸氣的蒸發表面保持較低的水蒸氣含量，使蒸發表面不斷提供水分子。與此同時較低的水蒸氣含量還可以減少包括對流、輻射等的熱量損失。在空氣-水的界面提供一種漂浮的光熱材料是一種很好的解決方案。王煥庭課題組合成了一種漂浮在水表面的Fe₃O₄/C磁納米顆粒^[6]，借助于此，在太陽蒸發量為3.5%的海水中，磁納米顆粒使水的蒸發量提高了2.3倍。相關研究以“Solar evaporation enhancement using floating light-absorbing magnetic?particles”發表在Energy & Environment Science上。

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DOI：10.1039/c1ee01532j

圖5??Fe₃O₄/C磁納米顆粒提升水的蒸發

2.2?Nature communications: 陽光下加熱與無接觸蒸汽的產生

進行光熱轉化的材料與水接觸時，會增加水與材料之間的熱傳導，這樣會浪費能量同時使得蒸汽溫度在沸點附近固定。在海水淡化等的工業應用上，還會使得水與結構接觸產生污垢等問題。陳剛課題組提出了一種不與水接觸的太陽能結構蒸發水分^[7]，在不加壓1光照度下，蒸汽溫度達到了133℃。相關研究以“Contactless steam generation and superheating under one sun illumination”發表在Nature Communication上。

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DOI：10.1038/s41467-018-07494-2

圖6 不接觸水的太陽能蒸汽驅動結構

2.3 Nature Nanotechnology：高效太陽能蒸汽產生的分層次納米結構凝膠

在提高光熱轉化效率之后，還需要快速將能量傳遞給水，才能使得水蒸氣的加速產生。余桂華課題組提出了一種分層次的納米結構凝膠^[8]，該結構可以使得水向四面八方各個方向流動，水的無規則運動加速了能量的傳遞，同時也就加速了水蒸氣的產生。該研究表明，一個漂浮的樣品可以利用94%的太陽輻照能量達到3.2kg/m²/h的水分蒸發速率，一平方米的樣品每天可以凈化18-23升水。相關研究以“Highly efficient solar vapour generation via hierarchically nanostructured gels”發表在Nature Nanotechnology上。

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DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-018-0097-z

圖7 分層次納米結構凝膠加速水的蒸發

2.4 Journal of Material Chemistry A: 利用3D光熱錐結構對高效太陽能驅動的水蒸發進行光收集和熱管理

加速水蒸發的根本措施就是將光熱轉化的能量快速傳遞給水，因此除了增加水的流動措施以外，可以通過熱管理的方法提升界面之間的能量傳遞效率。江河清課題組提出了一種3D光錐結構^[9]，該結構涂有聚吡咯圖層，在整個太陽光譜中吸光度可達99.2%媲美黑體，同時減小光錐與水面之間的接觸，保證熱量通過界面進行加熱。單次光照條件下，太陽光照轉換效率可達93.8%，約為平面轉換薄膜的1.7倍。相關研究以“Improved light-harvesting and thermal management for efficientsolar-driven water evaporation using 3D photothermal cone”發表在Journal of Material Chemistry A上。

文獻鏈接：

DOI：10.1039/C8TA01469H

圖8 3D光熱錐結構用于水的界面加熱

3、材料在水活化、降低蒸發所需能量方面的研究

Science Advances: 構建高水合聚合物網絡調整狀態以用于太陽能水凈化

通過研究太陽能量的吸收、水熱交換的管理可以提升水的蒸發，相應的通過研究水的分子結構也可以提高水的蒸發速率。水的固、液、氣三態本質上是分子鍵的連接方式不同，能量交換就是打破分子鍵或形成分子鍵進行三態變化，通過活化水分子，使得分子鍵更容易打破也是一種提升水蒸發速率的途徑。余桂華課題組提出了構建高水合聚合物網絡來調整水的狀態進行水蒸發速率的提升^[10]，他們介紹了一種高水合性吸光水凝膠，通過提高氫水合物的水活性改變水的狀態和部分的激活水，從而促進水蒸發，結果表明蒸發相同的水需要更少的能量。相關研究以“Architecting highly hydratable polymer networks to tune the water state for solar water purification”發表在Science Advances上。

文獻鏈接：

DOI：10.1126/sciadv.aaw5484

圖9?高水合性吸光水凝膠活化水分子

參考文獻：

[1] F. Zhao, Y. H. Guo, X. Y. Zhou, W. Shi and G. H. Yu, “Materials for solar-powered water evaporation,” Nature Reviews Materials,

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[3]?Z. B. Zha, X. L. Yue, Q. S. Ren and Z. F. Dai,?"Uniform Polypyrrole Nanopartides with High Photothermal Conversion Efficiency for Photothermal Ablation of Cancer Cells."?Advanced Materials?25.5(2013):777-782.

[4]?X.?Wang, Q. C. Liu, S. Y. Wu, B. X. Xu and H. X. Xu,?"Multilayer Polypyrrole Nanosheets with Self-Organized Surface Structures for Flexible and Efficient Solar-Thermal Energy Conversion. "?Advanced Materials?(2019).

[5]?G.?B. Xue, K. Liu, Q. Chen, P. H. Yang, J. Li, T. P. Ding, J. J. Duan, B. Qi and J. Zhou,?"Robust and Low-Cost Flame-Treated Wood for High-Performance Solar Steam Generation."?Acs Applied Materials & Interfaces?(2017).

[6]?Y. Zeng,?J. F. Yao, B. A. Horri, K. Wang, Y. Z. Wu, D. Li and H. T. Wang, "Solar evaporation enhancement using floating light-absorbing magnetic particles."?Energy & environmental ence?4.10(2011):p.4074-4078.

[7]?T. A. Cooper,?S. H. Zandavi, G. W. Ni, Y. C. Tsurimaki, Y. Huang, S. V. Boriskina and G. Chen, "Contactless steam generation and superheating under one sun illumination."?Nature Communications?9.1(2018).

[8] F. Zhao, X. Y. Zhou, Y. Shi, X. Qian, M. Alexander, X. P. Zhao, S. Mendenz, R. G. Yang, L. T. Q and G. H. Yu, "Highly efficient solar vapour generation via hierarchically nanostructured gels."?Nature Nanotechnology(2018).

[9]?Y. C. wang, C. Z. Wang, X. J. Song, M. H. Huang, S. K. Megarajan, S. F. Shaukat and H. Q. Jiang, "Improved light-harvesting and thermal management for efficient solar-driven water evaporation using 3D photothermal cone."?Journal of Materials Chemistry A(2018):10.1039.C8TA01469H.

[10]?X. Y. Zhou, F. Zhao, Y. H. Guo, B. Rosenberger, G. H. Yu, "Architecting highly hydratable polymer networks to tune the water state for solar water purification."?Science Advances?5.6(2019):eaaw5484.

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