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    寧波材料所劉富研究員團隊《JMCA》:中空纖維膜助力光熱轉化
    來源:高分子科技 / 時間:2020-11-17 23:09:10

    中國聚合物網11月16日訊:隨著經濟的發展及人口數量的增長,全球都面臨嚴峻的能源短缺問題,尋找或開發高效低成本的新能源成為迫切需求。太陽能作為一種清潔可持續的能源近年來成為能源轉化利用的焦點,其應用涉及光催化、光伏發電及光熱轉化等多個領域。利用太陽能產生蒸汽可用于污水處理、海水淡化、蒸汽發電等眾多領域,其中最關鍵的是制備并設計光熱轉換材料及裝置,將光能高效的轉變為蒸汽所需要的熱能。

    基于此,中國科學院寧波材料技術與工程研究所劉富研究員課題組在光熱轉化材料及其裝置的設計及其應用方面取得了一系列研究進展,首先探究了汲水量與光熱轉化效率的匹配關系(ACS Applied Energy Materials, 2019, 2, 4353-4361),發現在合適的匹配度下能獲得較高的光熱轉化速率。其次基于光熱轉化材料,直接以生物質碳作為光熱轉化材料,水稻秸稈作為汲水裝置,從材料上大大降低了成本(ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 10672-10679)。除了上述直接對海水進行淡化外,利用具有耐有機溶劑的碳纖維和普魯士藍@棉纖維進一步實現了對多介質乃至有機溶劑的純化(Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 586-593;Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7,8960-8966)。最后為了簡化光熱轉化裝置,該團隊制備出可以實現光熱水汽一體化管理的具有非對稱浸潤性的膜材料(Journal of  Materials Chemistry A, 2019, 7, 17505-17515),但是由于在使用過程中材料表面的溫度高于環境溫度,存在熱對流、熱輻射和熱傳導損失,其光熱轉化速率仍處于較低的值,僅為1.02 kg m-2 h-1。

    為了獲得較高的光熱轉化速率,劉富研究員團隊從能量管理角度出發,利用具有三維自支撐性能的中空纖維膜作為光熱轉化材料,同時借助基底材料上的熱對流和熱輻射促進上方中空纖維膜表面蒸汽的產生。相關成果以“Exceptional interfacial solar evaporation via heteromorphic PTFE/CNT hollow fiber array”為題發表在Journal of Materials Chemistry A,2020,DOI:10.1039?/D0TA09368H。該論文第一作者是李田田博士,現在河北科技大學工作。

    工作亮點:

    (1)利用具有自支撐性能的中空纖維膜的三維結構實現360度蒸發,其中豐富的纖維結構可實現自身汲水,表面的聚多巴胺和碳納米管可有效促進光吸收;

    (2)中空纖維膜下方基底材料的表面溫度遠高于環境溫度及中空纖維膜表面溫度,從而消除了中空纖維膜表面的熱輻射和熱對流損失,同時基底材料以熱對流和熱輻射的形式促進中空纖維膜表面蒸汽的產生;

    (3)不同的排布方式對蒸汽的產生有重要影響,其主要原因是通過影響基底材料的表面溫度來影響上方蒸汽的產生。

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    圖1. 中空纖維膜的改性工藝:(a)和(b)中空纖維膜的親水改性;(c)使用PDA和CNT改性中空纖維膜;(d)光熱轉化裝置;(e)改性后的中空纖維膜可依靠毛細力進行汲水;(f)蒸發過程模型圖。

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    圖2. 中空纖維膜的形態:HFO的斷面(a)、外表面(b)和內表面(c);HFH的斷面(d)、外表面(e)和內表面(f);HFC的斷面(g)、外表面(h)和內表面(i)。(g)中的插圖代表斷面的局部放大SEM圖,(h)中的插圖為HFC膜表面的低倍率下的SEM圖。

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    圖3. (a) HFO、HFH和HFC中空纖維膜的ATR-FTIR光譜;(b)樣品表面的動態接觸角,插圖(b1)、(b2)和(b3)分別為HFO、HFH和HFC的初始接觸角;干、濕狀態下的HFH和HFC (c)及透射(d)、反射(e)和吸收(f)光譜。

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    圖4. (a)分別以PS泡沫塑料,PVDF膜和碳布作為基底時,單根中空纖維膜表面水蒸發質量與時間的關系;(b)和(c)分別為PS泡沫,PVDF膜和碳布的反射光譜和吸收光譜;(d-f)采用PS泡沫和分別用PVDF膜和碳布覆蓋的PS泡沫作為支撐體和HFC的表面溫度變化。

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    圖5. 不同排列方式的示意圖:并排排列(a);高低排列(b);間隔排列(c);(d-f)分別以PS泡沫塑料,PVDF膜和碳布作為基底時,不同排列方式下三根中空纖維膜表面水蒸發質量與時間的關系。

    本文提供了一種高效的利用太陽能提高蒸汽產生速率的方法,對于其原因進行了較深入的討論與研究,發現下方基底材料的表面溫度對促進蒸汽的產生起到了重要作用,同時拱形中空纖維結構為整合更多的自然能如風能創造了可能。


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