Nature Communications

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【研究背景】

太阳能是一种很有前途的可再生能源，地表每小时入射的太阳能通量大于全球每年的能源消耗。高效收集太阳能用于产生蒸汽是其广泛应用的关键因素，从大规模的发电、吸收式冷水机和海水淡化系统到小型应用，如偏远地区的饮用水净化、消毒和卫生系统，这些地区唯一丰富的能源是太阳。目前使用太阳能产生蒸汽的方法依赖于表面或腔体来吸收太阳辐射，并直接或通过中介将热量传递到水体中，这需要较高的光照强度且会有高光学损耗和表面热损失的问题。通过纳米流体中的均匀温度和增强纳米流体的热导率，有可能最大限度地减少表面能损失。然而，现有的太阳能热转换效率较低。高光强限制了这些方法在独立型太阳能系统中的应用，也增强了系统的复杂性和成本。

2014年，麻省理工学院陈刚院士团队在国际顶级期刊《Nature Communications》上发表了题为“Solar steam generation by heat localization”的研究论文。团队通过剥离石墨烯和碳泡沫制备了简易的可漂浮的双层结构的界面蒸发器，通过吸收太阳光并将热量限制在结构表面，大大提高了太阳能热转换效率。麻省理工学院博士生Hadi Ghasemi和George Ni为论文第一作者，陈刚教授为通讯作者。

【文章解读】

双层结构制备

为提高材料热局域性能，该团队开发了一种双层结构（DLS），该结构由支撑剥离石墨层的碳泡沫层组成（图1b，c）。底部碳泡沫是隔热的，具有较小的孔径用于液体供应，而顶部剥落的石墨层具有较大的孔径用于蒸汽逸出。97%的照射的太阳能被顶部剥落的石墨层吸收。通过氮气吸附测试，剥落石墨层的比表面积约为320 m2 g-1，是石墨薄片的32倍，可更有效地将热量传递到流体中。

图1 双层结构。a. 用于热局域化的结构。b.双层结构由支撑剥离石墨层的碳泡沫组成，两层都亲水并通过毛细作用将水提升。c. 双层结构在10.0 sun下的蒸汽。

图2 双层结构的性能。不同结构的水在a. 1.0 sun和b. 10.0 sun太阳辐射下的水蒸发质量变化。c. DLS在一定光学浓度范围内蒸发过程的太阳热效率和相应的蒸发速率。d. 蒸汽和水体温度变化。

热效率和蒸发性能

为了计算双层结构的热效率，该团队测试了双层结构的最高的蒸发率，在1和10个模拟太阳光下其蒸发率分别是纯水的2.1和2.4倍。热效率（ηth）被认为是评估双层结构性能的指标，其计算公式如下：

其中表示质量通量，为蒸发相变的总焓，Copt表示光学浓度，qi表示太阳辐射强度，一般为1.0 kW m-2（=1.0 sun）。图2c中，双层结构的热效率是光学浓度的增加函数，从1.0 sun的64%增加到10.0 sun的85%。图2c中，光强增加，近程结构表面的局部能量伴随着有限的流体流速，导致所产生的气相的温度升高。在10.0 sun时，当产生蒸汽时，下面的液体接近环境温度，如图2d。这种非平衡过程提供了局部相变，而周围的介质仍然是冷的。这种局部化导致体积流体的热损失显著下降，从而提高太阳能热转换的热效率。

图3效率比较。a. 通过测量1.0 sun以下的底层水温并与其他结构比较b. 双层结构在一定光学浓度范围内产生的蒸汽温度。c. 在1，2，10 sun的太阳光照下，将双层结构的太阳能热转换效率与水和单层石墨进行了比较。d. 将双层结构的性能与太阳能塔式收集器系统进行比较。

【文章总结】

该团队通过剥离石墨烯和碳泡沫制备了简易的可漂浮的双层结构的界面蒸发器，通过光热界面蒸发实验得出不同光强下，不同蒸发结构的蒸发性能以及纯水蒸发的性能从而经计算得出热效率值，该双层结构光热蒸发材料光吸收性能优异，且由于碳泡沫的存在，热量被限制在结构的表面，减少了因热传导带来的热量损失，大大提高了太阳能热转换效率，在一个模拟太阳光的照射下，该双层材料的热效率为64%。该工作阐明了光热界面水蒸发材料的结构设计思路，提出热局域化作用用于光热界面蒸发，开辟了光热界面水蒸发的新兴科学领域。

Ghasemi, H., Ni, G., Marconnet, A. et al. Solar steam generation by heat localization. Nat Commun 5, 4449 (2014). https://doi.org/10.1038/ncomms5449

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