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再得高蒸汽轉(zhuǎn)化速率 低電壓驅(qū)動(dòng)焦耳熱界面蒸發(fā)新進(jìn)展！
2023年12月12日 14:18:25
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中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光元件技術(shù)與工程部吳衛(wèi)平研究員和劉豐華副研究員團(tuán)隊(duì)，在新型介孔碳材料實(shí)現(xiàn)微觀界面焦耳熱蒸發(fā)方面取得進(jìn)展。
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】太陽(yáng)能是一種無(wú)污染、無(wú)二氧化碳排放的可再生能源，太陽(yáng)能的利用有光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。基于光熱效應(yīng)的界面蒸發(fā)是一項(xiàng)有別于傳統(tǒng)方法的新技術(shù)，在應(yīng)對(duì)全球氣候問(wèn)題和清潔能源高效利用等方面具有重要意義。
界面光熱水蒸發(fā)技術(shù)是一種利用太陽(yáng)輻射能將水轉(zhuǎn)化為蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)。它通過(guò)將水暴露在太陽(yáng)光下，利用太陽(yáng)輻射能提供的熱能，使水蒸發(fā)并轉(zhuǎn)化為蒸汽。這種技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，可以應(yīng)用于海水淡化、廢水處理、農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域。然而，基于光熱的界面蒸發(fā)技術(shù)面臨蒸發(fā)速率低，且難以實(shí)現(xiàn)緊湊化設(shè)計(jì)等瓶頸問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了其推廣和應(yīng)用。
中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光元件技術(shù)與工程部吳衛(wèi)平研究員和劉豐華副研究員團(tuán)隊(duì)在前期光熱界面蒸發(fā)研究工作的基礎(chǔ)上，采用體相導(dǎo)電介孔碳材料構(gòu)筑了一種低成本、機(jī)械強(qiáng)度高的焦耳熱蒸發(fā)裝置，實(shí)現(xiàn)了低電壓(1 V-9 V)驅(qū)動(dòng)的高速率蒸汽產(chǎn)生速率(達(dá)98.7 kg m−2 h−1)，其能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到80%以上，并有望進(jìn)一步提升。
與基于傳統(tǒng)80/20 CrNi電阻電熱合金加熱蒸發(fā)裝置相比，蒸發(fā)速率與能耗發(fā)生了數(shù)量級(jí)變化。其主要是由于基于成型體相多孔碳材料內(nèi)部豐富的分級(jí)介孔微納結(jié)構(gòu)、可調(diào)諧的化學(xué)表面特性及適宜可調(diào)的電導(dǎo)率等優(yōu)勢(shì)。由電場(chǎng)產(chǎn)生的焦耳熱被限制在有限的空間內(nèi)，通過(guò)介孔碳材料達(dá)到了微觀限域控制效果，與碳材料內(nèi)部的界面水實(shí)現(xiàn)了能量與蒸發(fā)的局域化匹配。
研究人員還研制并測(cè)試了一種低電壓驅(qū)動(dòng)的加熱模塊化裝置，展示了利用太陽(yáng)能電池、風(fēng)能和潮汐發(fā)電等可再生能源的工業(yè)潛力和新的離網(wǎng)解決方案，將有助于分布式可再生綠色能源的應(yīng)用拓展。
本項(xiàng)研究證實(shí)了多孔碳材料在焦耳熱作用下的微觀表界面限域蒸發(fā)性能，獲得了高的蒸汽轉(zhuǎn)化速率和能量轉(zhuǎn)換效率，具有可集成化、多物理場(chǎng)協(xié)同等特點(diǎn)，表明具有微納尺度結(jié)構(gòu)的體相介孔碳材料及其低電壓焦耳熱技術(shù)，在能量限域利用、海水淡化、礦物提取及蒸餾提純等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
目前，相關(guān)研究成果以“Electrically powered artificial black body for low-voltage high-speed interfacial evaporation”為題，發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。
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