武汉大学Nano Energy : 用于太阳能蒸汽产生的仿生毛细管驱动泵

【引言】

高效捕获太阳能用于液-气相变这一技术具有广泛的应用，从用于水净化和消毒的小型独立太阳能转换器，到大规模应用的太阳能海水淡化系统、太阳能发电等。传统过程中，对大部分水同时升温以产生蒸汽。然而，蒸发是一个表面的过程，表面的高能态水分子易转为气相。因此传统的整体升温方法使得大量的热向部分未蒸发的水传导，产生热量散失。

【成果简介】

近日，武汉大学胡雪蛟教授、江海峰博士(共同通讯作者)等受植物蒸腾现象启发，报道了一种可用于高效太阳能蒸汽产生的毛细管驱动泵，并在Nano Energy上发表了题为“A bioinspired capillary-driven pump for solar vapor generation”的研究论文。上述泵主要由多孔亲水修饰NiO(M-NiO)盘和一维水通道组成。表面沉积了具有三层结构的TiAlON基纳米复合材料吸收体的M-NiO可有效地捕获太阳辐射(吸收率为0.97)。受多孔M-NiO中的毛细力驱动，泵可以通过一维通道不断将水输送至太阳能吸收器用于蒸发，1个太阳强度下太阳能-蒸汽转换效率达到73%，4个太阳强度下可达到90%。较高的转换效率应归因于M-NiO盘的高吸收能力以及一维供水设计降低了热量损失。上述易于扩大规模的新设计为在太阳能密度较低的情况下捕获阳光以进行太阳能蒸发提供了一种有效的解决方法。

【图文简介】

图1 受植物蒸腾现象启发的毛细管驱动泵示意图

a) 植物蒸腾现象示意图；

b) 用于高效太阳能蒸汽产生的仿生毛细管驱动泵。

图2 多孔NiO盘的制备过程

a) 原始镍粉； b) 镍盘；

c) 烧结后的NiO盘； d) 负载了TiAlON基光吸收材料的NiO盘。

图3 多孔NiO和M-NiO盘的形貌表征

a) 多孔NiO的表面形貌，内插图为一滴水被NiO表面吸收的快照；

b) 多孔M-NiO的表面形貌，内插图为一滴水被M-NiO表面吸收的快照；

c) M-NiO盘的横断面形貌；

d) 多孔NiO和M-NiO盘的孔径分布。

图4 TiAlON基材料的光吸收和形貌表征

a) NiO和M-NiO盘的实测吸收光谱；

b) 三层结构TiAlON基光吸收材料的TEM图像；

c) 底层的HRTEM图像以及Ti3AlN和TiN的IFTT图；

d) 底层的理论吸收光谱，内插为594 nm下含有Ti3AlN(蓝色)和TiN(浅蓝色)的底层理论横断面电场分布；

e) 中层的HRTEM图像以及TiN的IFTT图；

f) 中层的理论吸收光谱，内插为630 nm下含有TiN的中层理论横断面电场分布。

图5 仿生毛细管驱动泵的组成

a) 仿生毛细管驱动泵的组装过程； b) 4 kW·m-2太阳密度下蒸汽产生图片。

图6 仿生毛细管驱动泵的蒸汽产生性能

a) 太阳能蒸汽产生的实验装置示意图；

b,c) 在1个和4.8个太阳强度下，泵的蒸发质量损失；

d) 在一系列光密度下泵的蒸发速率；

e) 在不同光密度下蒸发表面的温度；

f) 在不同光密度下泵的太阳能-蒸汽转化效率。

【小结】

研究人员成功地开发了一种基于毛细管现象的高效太阳能蒸汽产生仿生泵。通过沉积三层TiAlON基纳米太阳能吸收器于NiO盘的表面，M-NiO的太阳吸收率高达0.97。结合多孔亲水性M-NiO盘和一维供水设计，毛细管驱动泵在1个太阳强度下的太阳能-蒸汽转换效率可达到73%，4个太阳强度下可达到90%。上述易于扩大规模的新设计在太阳能密度较低的情况下具有一定潜在的应用。

文献链接：A bioinspired capillary-driven pump for solar vapor generation(Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.10.039)

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