Advanced Functional Materials:仿生分形结构设计助力生物质源高效界面太阳能水蒸发

近年来,淡水资源匮乏和能源问题已经成为世界各国面临的主要难题。海水淡化是解决淡水问题的有效方法,应用界面太阳能蒸发系统的太阳能海水淡化技术由于其环保、节能、高效的特点引起了广泛的关注。目前,着眼于大规模工业化应用,提高光热转换效率与降低光热转换材料生产成本是界面光热系统的主要挑战。大量研究表明,通过采用廉价生物质作为原材料能够有效制备低成本、高效率的太阳能光热转换材料,然而目前研究大多依赖于生物材料的原始微观结构,具有一定的局限性。进一步进行多尺度结构设计,优化生物质衍生的光热转换材料对于提高太阳能利用和精确控制光热性能至关重要。大自然是最优杰出的结构设计师,得益于其精巧的结构设计,许多动植物深谙太阳能利用之道。例如,大树非常善于通过它们的分形结构高效利用太阳能进行光合作用;一些黑色的蝴蝶也进化出了独特的微纳结构有效吸收太阳光用以调节机体温度等。

重庆大学柔性能源材料与器件团队的李猛课题组(重庆大学-新加坡国立大学新能源材料与器件联合实验室)与美国弗吉尼亚理工大学的Li Ling课题组合作,结合废弃生物质柚子皮中固有的微观多孔结构,提出了一种基于仿生分形结构设计的新型生物质衍生的太阳能光热转换材料应用于环境友好、低成本的界面太阳能水蒸发系统。他们首先将直接碳化后的废弃生物质柚子皮作为碳基骨架,利用简便的机械冲孔技术与电沉积技术结合制备获得了具有仿生分形结构的碳化柚子皮光热转换材料(FCPP),该材料具有毫米-微米-纳米多尺度的自相似结构,每级结构均由三个小孔的单元集合构成,具有多级自相似的特点,这与自然界中树枝的多级自相似的分形结构异曲同工。得益于该仿生结构,材料具有极高的太阳光谱吸收率(~98%),优异的蒸发率(1.95 kg m-2 h-1)和显著的光热转换效率(~92.4%)。研究者还采用材料学科与工程热物理学科交叉的研究思路,利用数值计算和实验等方法探究了分形结构设计对热质传递的影响机理,并对材料的成本优越性及其在污水处理方面的潜力进行了研究,为开发生物废料衍生的太阳能光热转换材料和及构建应用于高效太阳能热蒸发的仿生结构提供了新思路。相关论文“Bioinspired Fractal Design of Waste Biomass Derived Solar-thermal Materials for Highly Efficient Solar Evaporation”在线发表在《Advanced Functional Materials》上(DOI: 10.1002/adfm.202007648)。本文通讯作者为重庆大学李猛副教授和弗吉尼亚理工大学Li Ling助理教授,第一作者为重庆大学硕士生耿阳。论文得到了国家自然基金的资助。