Advanced Sustainable Systems:基于铜和叶片纳米结构的新型光热生物材料用于高效太阳能水蒸发

地球表面70%的面积被水覆盖,但可饮用的淡水仅有3%,淡水资源短缺已成为世界经济持续增长的最大威胁之一。同时,人口、农业的增长及环境污染使得淡水短缺问题日益恶化。为了应对这一问题,全世界建成了大量的海水淡化厂,淡水日产量超过1亿立方米。但传统的海水淡化技术如反渗透、电渗析、热蒸馏和膜蒸馏法等均存在造价高、能耗大等问题。与之相比,太阳能水蒸发(SSG)具有成本低、操作简单和绿色环保的优点,在海水淡化、污水处理方面具有很好的应用前景,近年来引起了研究者的广泛关注。

越南国立大学T. T. Pham博士与合作者一起,报道了一种基于铜和叶片纳米结构的生物启发光热(BIPT)材料,并用于SSG系统。该BIPT材料在300~2500纳米波长区域的光吸收率超过了92%,并具有低导热性和易清洗性,所开发的SSG系统具有83.7%的太阳能蒸汽效率和1.45 kg m-2 h-1的水蒸发率。

在本工作中,作者通过在羊蹄甲(PP,Phanera pupurea)叶片上溅射50~70纳米铜(Cu)来制造生物启发光热(BIPT)材料。光物理表征显示,该BIPT材料在300~2500纳米的波长区域光吸收率超过了92%,这归因于铜涂层叶片纳米结构内部的多内反射引起的光捕获效应。光热实验显示,在单位太阳光照下具有50 nm铜涂层的PP叶片能在10秒内从29℃上升至61℃,表明热能可被有效地限制在材料表面,这可归因于PP叶片的低热导率(0.2-0.4 W m-1 K-1)及很小的热传导损失。此外,PP叶片疏水性的表面可以很容易地清洗,从而保证了BIPT材料长时间的高吸收率。之后,作者将其用于一个简单的SSG系统,该系统利用开发的BIPT材料(50纳米厚铜涂层的PP叶片)作为吸收器,棉纱布作为水传输路径。由于蒸发过程中的热损失和辐射热回收小,该系统的蒸发率高达1.45 kg m-2 h-1,在单位太阳光照下的光热效率为83.7%。且该SSG系统在海水淡化中的应用显示,淡化的水可以满足世界卫生组织的清洁水标准。作者表示,该材料的制造过程简单、经济,并具有良好的SSG性能,有望在将来应用在大规模的海水淡化中。

论文信息:

Novel Cu and Leaf Nanostructure-based Photothermal Bio-material for Efficient Solar Steam Generation

Tien Thanh Pham*, Trung Duc Dao, Thi An Hang Nguyen, Dinh Dat Pham, Kotaro Kajikawa, Duc Cuong Nguyen, Danh Bich Do, Hoai Viet Nguyen

Advanced Sustainable Systems

DOI: 10.1002/adsu.202100159

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.202100159

原创署名:潘奕辰