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朱嘉教师课题组光热调换新进展:飞速、低能源

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随着人类社会的发展和生活水平的不断提高,淡水资源形势日益严峻,海水淡化作为获取淡水的有效方法之一,引起广泛关注。然而目前传统的海水淡化装置消耗大量热能或电能,碳排放量大、装置体积庞大,且淡化效率、效果均有待提高。利用太阳能光蒸馏的海水淡化技术低碳环保,然而多年来一直受限于较低的光热转换效率而无法大规模应用。朱嘉课题组在国际上首次利用等离激元增强效应实现了高效太阳能海水淡化(能量传递效率~90%,淡化前后盐度降低4个数量级)。该研究发现,三维铝颗粒等离激元黑体材料是实现高效率太阳能海水淡化的绝佳体系,图1给出铝颗粒黑体材料用于等离激元增强太阳能海水淡化的设计示意图。首先,等离激元铝黑体材料具有宽太阳光谱超高光吸收效率(在400-2500nm宽太阳光谱范围平均吸收效率>96%),确保了海水淡化过程中光热转换效率大大提高;其次,铝纳米颗粒的局域等离激元光学共振效应使得漂浮在水面的紧密排列的铝颗粒附近区域产生极高的局部温度和电磁场增强效应,非常有利于快速有效的淡水蒸汽产生,多孔结构又提供了有效的蒸汽逃离通道。最后,铝颗粒等离激元黑体材料制备采用低成本金属铝为唯一原材料,采用了简单可规模化生产的自组装制备方法,且材料的淡化性能表现出良好的稳定性和耐用性,这对高效率太阳能海水淡化技术的实用化将产生重要的意义。

作为应用示例,该工作展示了这种环境能量增强光-蒸汽转化装置可大幅提升对工业污水(如含重金属、染料分子的废水)的处理能力。此工作不仅为突破传统认知蒸发极限提出了一种新的思路和方式,同时为高效的太阳能光蒸汽技术的应用迈出坚实一步。

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图2. 三维铝颗粒等离激元黑体自组装工艺与组装前后光学照片对比图

这一工作受到国家重点基础研究计划,国家自然科学基金委群体及面上项目,中央高校基本科研业务费专项基金,江苏省优势学科等项目的支持。

蒸汽灭菌是医疗过程中使用最为广泛、最为可靠的灭菌方式之一。但传统的蒸汽灭菌技术需要消耗电能,而在发展中国家和地区,约有15亿人长期缺乏电能供给;在野外、灾害等特殊场景下,电力的稳定供应也无法保障。有效、可靠的灭菌技术的匮乏使得这些地区的人民暴露在多种危险的由病原体感染导致的流行疾病下。因此,为离网地区与特殊场景提供一种可靠、高效、低成本的灭菌方式迫在眉睫。

图1. 等离激元增强太阳能海水淡化的设计示意图

近日,南京大学现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在高效界面光热-蒸汽转换上取得最新进展。该工作以《Enhancement of interfacial solar vapor generation by environmental energy》为题发表在Cell press旗下期刊Joule上(DOI:

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图1. 传统界面光蒸汽转化 与环境能量增强的界面光蒸汽转化对比示意图

图1. 基于体块加热和界面加热的太阳能灭菌对比示意图

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针对这一问题,朱嘉教授团队提出了新的材料结构设计思路,可以使环境从能源耗散方变成能源的供给方;吸收体从环境有净能量输入,从而有效增强蒸发,打破传统认为的蒸发极限,即100%太阳能利用情况下的蒸发量。要实现这一环境能量增强的光-蒸汽产生,需要在宏观尺度上设计了一系列不连续的柱状蒸发体。这些不连续的蒸发体可为蒸汽逸散提供有效通道,增大蒸发体的有效蒸发面积,同时一维水通道的设计可有效降低热损失。在微观尺度上,利用具有多级连通孔结构的亲水纤维素膜作为包覆层包覆在柱状蒸发体外来进一步增大有效蒸发面积;同时利用具有高吸光系数的碳纳米颗粒沉积在纤维素膜上作为吸收体来充分利用太阳能。通过精细结构调控,最终可实现在正常光照条件下,吸收体的平均温度低于环境温度。在此情况下,环境能量可有效增强蒸发,使得蒸发量可以超过传统认为极限,即100%太阳能利用下的蒸发量。

朱嘉教授课题组近几年一直系统地研究高效界面光热转换及其在太阳能海水淡化、水处理等领域的应用。区别于传统的体块加热,界面光热转换过程中仅将位于水-气界面的水分子持续不断地活化变为蒸汽,而大部分水体仍然可以保持在较低的温度状态。之前“界面光热转换”领域的工作主要关注其热力学优势,即太阳能-蒸汽的高能量转换效率;而这一工作首次揭示了其动力学优势,即由于只需要加热界面水分子,“热质量”被大大降低,从而产生高温蒸汽并达到稳态的速度会有量级提升。

现代工学院朱嘉教授课题组在高效太阳能海水淡化方面取得重要进展,相关研究成果以《3D self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon-enhanced solar desalination》为题发表于Nature Photonics上(DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.75)。现代工程与应用科学学院副研究员周林与硕士生谭颖玲为论文的共同第一作者,朱嘉教授是论文的通讯作者,本项研究受到了祝世宁院士的指导与支持。

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(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

该项研究得到了国家重点基础研究计划(青年“973”),国家自然科学基金委群体及面上项目,中央高校基本科研业务费专项资金,江苏省优势学科等项目的资助。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

在这些远离电网的地区,太阳能资源往往十分丰富,因此近些年来,太阳能驱动的蒸汽灭菌技术引起广泛的关注。如图1a所示,蒸汽灭菌包括三个阶段,即:升温阶段(蒸汽温度升高到灭菌温度),保温阶段(蒸汽温度越高,时间越短)以及降温阶段(蒸汽温度降低到100℃,以安全打开灭菌器)。然而之前的太阳能灭菌技术多数基于体块加热方式来产生高温蒸汽。这种加热策略使得升温过程及降温过程都耗时很长,能量利用率低,极大限制了这种技术的实际推广和应用。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

界面光热转换作为新兴太阳能技术因其高转换效率及在海水淡化、水处理等诸多领域的应用前景,引起学界、产业界的广泛关注。过去一段时间的发展,诸多工作聚焦于通过材料结构设计、光学调控、热学管理以及水通道的设计来提高光-蒸汽的转化效率。然而业界通常认为因为吸收体向环境的能量耗散(包括光学与热学损耗)不可避免,因此最大的蒸发量会受限于太阳能功率密度而存在上限(按照标准太阳能谱计算,~1.47L/m2/h),光-蒸汽产生的净蒸发量会趋近但无法超过这一上限。

图2. 基于界面加热和体块加热的太阳蒸汽生产的响应速度及能量消耗对比。界面加热和体块加热的示意图。温度随时间变化曲线。模拟连续灭菌操作。基于界面加热的太阳能蒸汽灭菌器与其他灭菌器的性能对比。

图3. 基于界面加热的太阳能蒸汽灭菌锅的灭菌效果

朱嘉教授课题组进一步开发出了基于界面加热方式的太阳能蒸汽灭菌器概念模型。该灭菌器可以对多种细菌营养体及芽孢实现有效的杀灭,灭菌效果均超过国际卫生组织对医疗器械灭菌的要求。值得一提的是,该系统的运行成本及寿命周期成本均要比商业灭菌器件低一个量级,使得这种灭菌器非常适合在广大发展地区推广和应用。此外,这种灭菌系统环境友好的,每个系统在生命周期中可以减少二氧化碳排放67吨。因此该系统的推广和应用不仅可以为远离电网的地区提供快速、有效、负担的起的灭菌方式,还可以推进这些地区的节能减排。

如图2所示,基于界面加热的太阳能灭菌技术可以快速、高效地产生蒸汽;达到更高的准稳态蒸汽温度,大大缩短灭菌过程的保温时间;同时也可快速地冷却下来,这有利于连续灭菌循环操作,从而极大的提高灭菌器的处理能力。该系统在响应速度和单位蒸汽的能耗均要优于商业化的传统灭菌以及其他太阳能蒸汽灭菌技术。

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近日,我校现代工程与应用科学学院朱嘉教授课题组在高效“界面光热转换”领域取得新进展,揭示了界面光热转换的动力学优势并应用在蒸汽灭菌领域中,该工作以《Interfacial solar steam generation enabled fast responsive, energy efficient and low cost off-grid sterilization》为题发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201805159)。课题组硕士研究生李金磊为该论文的第一作者,朱嘉教授为论文的通讯作者,该工作得到了南京大学生命科学院刘常宏教授课题组、杨永华教授课题组、斯坦福大学材料工程系Luca Bertoluzzi博士的帮助和支持,和南京大学祝世宁院士的指导和支持。

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关键词: 高效 光热 低成本 蒸汽