近日，美國馬里蘭大學胡良兵教授等人于2018年2月21日發(fā)表在期刊Advanced Functional Materials上發(fā)表了研究成果“Scalable and Highly Efficient Mesoporous Wood-Based Solar Steam Generation Device: Localized Heat, Rapid Water Transport”。太陽能蒸汽發(fā)生裝置的設(shè)計是通過納米級通道在木材中進行跨平面水輸送，熱傳輸方向被解耦以減少傳導(dǎo)熱損失。在1 個太陽下達到80％的高蒸汽發(fā)電效率，在10個太陽下實現(xiàn)89％的高蒸汽發(fā)電效率。垂直于介孔木材的交叉板可以通過凹洞和螺旋提供快速的水輸送。纖維素納米纖維在凹洞周圍呈圓形分布，并沿著螺旋高度對齊以將水穿過內(nèi)腔。同時，利用介孔木材的各向異性導(dǎo)熱，可以提供比超絕熱聚苯乙烯泡沫塑料（≈0.03W m-1 K-1）更好的絕緣性能。木材在橫向方向呈現(xiàn)出0.11 W m-1 K-1的熱導(dǎo)率。太陽能蒸汽發(fā)生裝置在太陽能輻照度下具有成本效益和大規(guī)模應(yīng)用的前景。
圖1太陽能發(fā)電設(shè)備示意圖
a）可擴展器件制造過程的示意圖；
b）介孔木材的SEM圖像；
c）石墨涂覆木材的太陽能蒸汽產(chǎn)生機理。
圖2 木質(zhì)管腔的SEM圖像
a）排列的木質(zhì)管腔的SEM圖像；
b）管腔壁上的凹洞和螺旋的SEM圖像，有利于水的交叉?zhèn)鬏敚?
c）木質(zhì)管腔上分布的微小的洞和螺旋；
d）納米纖維在凹洞周圍以圓形方式分布，并沿著螺旋高度對齊以將水穿過內(nèi)腔；
e）隨著時間的流動高度，前10秒內(nèi)流速約為0.5毫米/秒。插圖：木材橫向的流體運輸；
f）三維介孔椴木結(jié)構(gòu)中管腔的水流運動軌跡，以速度大小著色。
圖3 石墨木材和未涂布木材的對照實驗
a）木材上涂覆石墨的SEM圖像表明涂層厚度為約50μm；
b）石墨木材太陽能蒸汽發(fā)生裝置的照片；
c）干木材沿著管腔方向的熱導(dǎo)率。由于纖維素纖維之間存在邊界，橫向平面可以大大減緩熱流動；
d）預(yù)浸木材的導(dǎo)熱性；
e）干燥木材中交叉平面運輸和平面運輸?shù)臏囟确植紙D；
f）石墨涂布的木材和未涂布的木材樣品之間的吸光度比較；
g）石墨和木材的熱容量；
h）石墨木材和未涂布木材的溫度分布。
圖4 垂直切割的木材與聚苯乙烯泡沫塑料的導(dǎo)熱性對比實驗
a）當頂面通過導(dǎo)熱膏與傳導(dǎo)熱源直接接觸時，測量背面溫度。聚苯乙烯泡沫塑料表現(xiàn)出低至0.03 Wm-1 K-1的各向同性導(dǎo)熱率，而垂直切割的木材在圖中所示的兩個方向上呈現(xiàn)0.11 W m-1 K-1和0.35 W m-1 K-1的各向異性熱導(dǎo)率；
b）由于各向異性的導(dǎo)熱性，垂直切割木材的熱電偶側(cè)的溫度低于另一側(cè)相同熱源下的聚苯乙烯泡沫塑料的溫度。
圖5 不同的太陽因素下的相關(guān)實驗
a）將樣品切成正方形并放置在類似寬度和長度的容器中，以便在測試時最小化水表面的蒸發(fā)；
b）1 個太陽條件下石墨木材的原位溫度變化；
c）1 個太陽條件下的蒸發(fā)率；
d）1個太陽條件下的表面溫度；
e）1個太陽條件下石墨涂覆木材的循環(huán)性能；
f）變化的太陽因素下穩(wěn)定的蒸發(fā)速率；
g）變化的太陽因素下穩(wěn)定的表面溫度；
h）不同的太陽因素下相應(yīng)的效率。
研究展示了一種高效、可擴展的太陽能蒸汽發(fā)生裝置，該裝置由噴涂石墨的介孔椴木塊組成。研究首次將流體輸送方向和熱傳遞方向分開。利用介孔木材的各向異性導(dǎo)熱系數(shù)進一步提高了水分蒸發(fā)界面的溫度，減少了大量水分的傳導(dǎo)熱損失。石墨層在300至2000納米波長的光下表現(xiàn)出> 95％的寬帶吸光率，可以在蒸汽生成界面處將光能轉(zhuǎn)換為熱能。由于木質(zhì)基體的低導(dǎo)熱性，轉(zhuǎn)換后的熱能被限制在石墨層的薄層內(nèi)。該裝置在一個太陽條件下，其蒸發(fā)速率為1.15 kg m-2 h-1，水蒸氣界面溫度為38°C，效率為80％左右。在具有放大能力的生物材料系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換效率更高。太陽能蒸汽發(fā)生裝置具有高成本效益，在海水淡化和廢水處理等方面具有實際的應(yīng)用前景。
論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201707134/full
