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宁波材料所刘富研究员团队《JMCA》:中空纤维膜助力光热转化
来源:高分子科技 / 时间:2020-11-17 23:09:10

中国聚合物网11月16日讯:随着经济的发展及人口数量的增长,全球都面临严峻的能源短缺问题,寻找或开发高效低成本的新能源成为迫切需求。太阳能作为一种清洁可持续的能源近年来成为能源转化利用的焦点,其应用涉及光催化、光伏发电及光热转化等多个领域。利用太阳能产生蒸汽可用于污水处理、海水淡化、蒸汽发电等众多领域,其中最关键的是制备并设计光热转换材料及装置,将光能高效的转变为蒸汽所需要的热能。

基于此,中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘富研究员课题组在光热转化材料及其装置的设计及其应用方面取得了一系列研究进展,首先探究了汲水量与光热转化效率的匹配关系(ACS Applied Energy Materials, 2019, 2, 4353-4361),发现在合适的匹配度下能获得较高的光热转化速率。其次基于光热转化材料,直接以生物质碳作为光热转化材料,水稻秸秆作为汲水装置,从材料上大大降低了成本(ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 10672-10679)。除了上述直接对海水进行淡化外,利用具有耐有机溶剂的碳纤维和普鲁士蓝@棉纤维进一步实现了对多介质乃至有机溶剂的纯化(Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 586-593;Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7,8960-8966)。最后为了简化光热转化装置,该团队制备出可以实现光热水汽一体化管理的具有非对称浸润性的膜材料(Journal of  Materials Chemistry A, 2019, 7, 17505-17515),但是由于在使用过程中材料表面的温度高于环境温度,存在热对流、热辐射和热传导损失,其光热转化速率仍处于较低的值,仅为1.02 kg m-2 h-1。

为了获得较高的光热转化速率,刘富研究员团队从能量管理角度出发,利用具有三维自支撑性能的中空纤维膜作为光热转化材料,同时借助基底材料上的热对流和热辐射促进上方中空纤维膜表面蒸汽的产生。相关成果以“Exceptional interfacial solar evaporation via heteromorphic PTFE/CNT hollow fiber array”为题发表在Journal of Materials Chemistry A,2020,DOI:10.1039?/D0TA09368H。该论文第一作者是李田田博士,现在河北科技大学工作。

工作亮点:

(1)利用具有自支撑性能的中空纤维膜的三维结构实现360度蒸发,其中丰富的纤维结构可实现自身汲水,表面的聚多巴胺和碳纳米管可有效促进光吸收;

(2)中空纤维膜下方基底材料的表面温度远高于环境温度及中空纤维膜表面温度,从而消除了中空纤维膜表面的热辐射和热对流损失,同时基底材料以热对流和热辐射的形式促进中空纤维膜表面蒸汽的产生;

(3)不同的排布方式对蒸汽的产生有重要影响,其主要原因是通过影响基底材料的表面温度来影响上方蒸汽的产生。

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图1. 中空纤维膜的改性工艺:(a)和(b)中空纤维膜的亲水改性;(c)使用PDA和CNT改性中空纤维膜;(d)光热转化装置;(e)改性后的中空纤维膜可依靠毛细力进行汲水;(f)蒸发过程模型图。

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图2. 中空纤维膜的形态:HFO的断面(a)、外表面(b)和内表面(c);HFH的断面(d)、外表面(e)和内表面(f);HFC的断面(g)、外表面(h)和内表面(i)。(g)中的插图代表断面的局部放大SEM图,(h)中的插图为HFC膜表面的低倍率下的SEM图。

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图3. (a) HFO、HFH和HFC中空纤维膜的ATR-FTIR光谱;(b)样品表面的动态接触角,插图(b1)、(b2)和(b3)分别为HFO、HFH和HFC的初始接触角;干、湿状态下的HFH和HFC (c)及透射(d)、反射(e)和吸收(f)光谱。

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图4. (a)分别以PS泡沫塑料,PVDF膜和碳布作为基底时,单根中空纤维膜表面水蒸发质量与时间的关系;(b)和(c)分别为PS泡沫,PVDF膜和碳布的反射光谱和吸收光谱;(d-f)采用PS泡沫和分别用PVDF膜和碳布覆盖的PS泡沫作为支撑体和HFC的表面温度变化。

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图5. 不同排列方式的示意图:并排排列(a);高低排列(b);间隔排列(c);(d-f)分别以PS泡沫塑料,PVDF膜和碳布作为基底时,不同排列方式下三根中空纤维膜表面水蒸发质量与时间的关系。

本文提供了一种高效的利用太阳能提高蒸汽产生速率的方法,对于其原因进行了较深入的讨论与研究,发现下方基底材料的表面温度对促进蒸汽的产生起到了重要作用,同时拱形中空纤维结构为整合更多的自然能如风能创造了可能。