哈工大能源科學(xué)與工程學(xué)院帥永教授團(tuán)隊(duì)綜述文章對(duì)仿生太陽能水蒸發(fā)器發(fā)展與未來進(jìn)行展望

2024-10-06 14:02:09來源：哈爾濱工業(yè)大學(xué) 閱讀量：365 評(píng)論

　　近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院帥永教授、王兆龍教授團(tuán)隊(duì)對(duì)受自然啟發(fā)的太陽能蒸發(fā)器設(shè)計(jì)原理和最新進(jìn)展進(jìn)行綜述，在全面總結(jié)高效太陽能仿生蒸發(fā)原理、關(guān)鍵器件最新成果基礎(chǔ)上為該領(lǐng)域未來發(fā)展進(jìn)行展望。相關(guān)成果以《仿生太陽能水蒸發(fā)的進(jìn)展與挑戰(zhàn)》(Recent Advances and Challenges for Bionic Solar Water Evaporation)為題發(fā)表在《今日材料》(Materials Today)期刊(2024年影響因子21.1，5年影響因子25.3)上。

　　太陽能作為一種豐富的可再生資源，越來越受到人們的重視。受植物自然蒸騰過程的啟發(fā)，仿生結(jié)構(gòu)的太陽能水蒸發(fā)因其能耗低、效率高、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)在近20年來受到越來越多的關(guān)注。與植物蒸騰過程類似，典型的太陽能水蒸發(fā)過程包括液體輸送、太陽能收集和蒸汽產(chǎn)生，即水通過微通道輸送，太陽能吸收器可以將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)高效的太陽能收集。由于吸收器頂部表面的高溫，水將被加熱成蒸汽，然后作為淡水收集。有趣的是，受自然啟發(fā)的仿生結(jié)構(gòu)，如根、葉和花，可以獲得驚人的蒸發(fā)能力，因此對(duì)仿生蒸發(fā)系統(tǒng)的研究越來越多(圖1)。

　　作者在這篇綜述中系統(tǒng)地總結(jié)了自然啟發(fā)的太陽能蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)原理和最新進(jìn)展(圖2)，歸納了碳質(zhì)材料、金屬、半導(dǎo)體和聚合物等具有高吸收效率的太陽能吸收材料。基于上述光熱材料，仿生結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成模仿根、莖和葉。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)不僅可以促進(jìn)吸收器內(nèi)部的水分輸送，還可以加速太陽能水的蒸發(fā)過程，從而導(dǎo)致高蒸發(fā)速率。這篇綜述還介紹了近年來在海水淡化、水凈化、發(fā)電、蒸發(fā)冷卻、光催化降解等方面的應(yīng)用。

　　文章對(duì)未來的發(fā)展方向提出了幾點(diǎn)展望。(1)盡管在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了極高的蒸發(fā)率(超過1.47 kg m-2 h-1)和能量轉(zhuǎn)換效率(超過90%)，但在自然陽光照射下進(jìn)行的室外淡水生產(chǎn)試驗(yàn)仍需取得進(jìn)展。(2)大多數(shù)蒸發(fā)器只能連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)或幾天，在商業(yè)化之前，蒸發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐用性需要進(jìn)一步的系統(tǒng)開發(fā)。(3)還迫切需要有效的冷凝水和收集策略，以高效地收集和儲(chǔ)存產(chǎn)生的蒸汽。(4)需要進(jìn)一步開發(fā)殺菌、催化、發(fā)電等多功能一體化蒸發(fā)器，更有效地利用太陽能，滿足不同功能的各種要求。

　　哈工大為該論文第一單位和唯一通訊單位，能源科學(xué)與工程學(xué)院帥永教授和王兆龍教授為論文共同通訊作者，2024級(jí)博士研究生李銀峰參與文章撰寫。該研究獲國家自然科學(xué)基金等支持。哈工大全媒體(劉培香孫璐文/圖)

圖1.仿生太陽能蒸發(fā)器技術(shù)的歷史發(fā)展過程

圖2.各種材料、仿生結(jié)構(gòu)和應(yīng)用前景的蒸發(fā)系統(tǒng)示意圖

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