上海交大邓涛团队在《Nature Energy》发表太阳能光

2019-05-06 09:33 来源:未知

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。

近日,国际著名学术期刊《自然-能源》(Nature Energy)(2018年影响因子:46.859)在线刊登了上海交通大学材料科学与工程学院邓涛教授团队与合作团队的综述文章“Solar-driven interfacial evaporation”。上海交通大学材料科学与工程学院陶鹏副研究员、宋成轶副研究员、尚文副研究员以及美国麻省理工学院George Ni博士为论文的共同第一作者,邓涛教授与美国麻省理工学院Gang Chen教授、南京大学朱嘉教授为论文的共同通讯作者。

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。

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太阳能光热蒸发形式:(a)基于传统底部加热的蒸发;(b)基于传统体相加热的蒸发;(c)基于新型界面加热的蒸发

图1. 基于体块加热和界面加热的太阳能灭菌对比示意图

该论文系统地总结了太阳能光热界面蒸发领域的研究进展,全面介绍了太阳能光热界面蒸发系统各核心构成单元的研究现状和发展趋势,深入分析了影响太阳能光热界面蒸发性能的关键因素,探讨了该技术在太阳能向热能、电能、机械能、化学能转换领域的应用价值,展望了该领域未来的发展方向、面临的挑战以及应对措施。

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。

随着传统化石能源的日益消耗和生态环境压力的不断增加,加快对可再生能源太阳能的开发和利用已成为全球关注的热点。光热转换是一种清洁、高效的太阳能利用方式。其中,光热蒸发是太阳能光热利用领域广泛涉及的一个非常重要的物理过程。针对传统基于体加热的蒸发系统存在能量转换效率低、响应速度慢等问题,新型基于局域光热转换的太阳能光热界面蒸发设计将太阳能光热转换集中在蒸发界面,通过在太阳能光热转换材料、界面蒸发结构、系统绝热设计等方面的协同创新,大幅提升了系统的蒸发效率和响应速率。当前,太阳能光热界面蒸发技术在高性能海水淡化、蒸汽杀菌、污水净化等众多领域获得了初步应用,并且推动了太阳能光热技术小型化、便携式的发展趋势,对促进太阳能光热技术的广泛应用具有重要价值。

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。

近年来,邓涛教授团队在太阳能光热界面蒸发、光热储存、光热利用领域开展了广泛的研究,相继在Nature Energy、Nature Communications、Advanced Materials、JACS等学术期刊上发表了一系列研究论文。相关研究工作得到了国家重点研发计划(No. 2017YFB0406100)、国家自然科学基金(51403127, 51521004, 51420105009, 21401129)、上海市青年启明星计划、上海市晨光人才计划等项目的资助。

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。

论文链接: https://www.nature.com/articles/s41560-018-0260-7

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