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蒸發，凝聚，富集是天然香料提取中經常發生的物態變化。受此啟發，通過界面材料和富集構型的設計，有望提高太陽能利用率，提升海水凈化能力。近日，香料香精化妝品學部胡靜教授團隊在太陽能驅動光熱界面蒸發研究領域完成研究成果，并發表在納米材料領域旗艦期刊《Small》（影響因子15.153）。

該研究工(gong)作以超親水泡沫銅為基材(cai)，從(cong)三維結構(gou)設(she)計入(ru)手，開發了一種(zhong)分級三維倒錐(zhui)形太(tai)陽(yang)能(neng)蒸(zheng)(zheng)發器，其具(ju)(ju)有氧化(hua)銅與氧化(hua)石墨烯協(xie)同的(de)(de)微納米結構(gou)，可通過簡單的(de)(de)化(hua)學氧化(hua)、物理(li)沉積和室(shi)溫(wen)干燥等(deng)技術制備。該蒸(zheng)(zheng)發器能(neng)夠實(shi)現高(gao)效(xiao)(xiao)太(tai)陽(yang)能(neng)吸(xi)收、連(lian)續液(ye)膜輸送以及無阻(zu)礙蒸(zheng)(zheng)汽擴散的(de)(de)同時，其獨(du)特的(de)(de)分層結構(gou)賦予蒸(zheng)(zheng)發系(xi)統優異的(de)(de)保溫(wen)性能(neng)，為實(shi)現高(gao)效(xiao)(xiao)太(tai)陽(yang)能(neng)原位局域蒸(zheng)(zheng)發提供(gong)了新(xin)思(si)路，具(ju)(ju)有良好(hao)的(de)(de)應用前景。

圖1.吸(xi)收原理、蒸發(fa)(fa)器(qi)、3D倒錐形太陽能蒸發(fa)(fa)器(qi)的(de)制備工(gong)藝和特性示(shi)意(yi)圖。(a)蒸發(fa)(fa)器(qi)示(shi)意(yi)圖。(b)蒸發(fa)(fa)系(xi)統示(shi)意(yi)圖。(c)超親水表面制備工(gong)藝。(d-f)SHiCF、SHiCF-GO-2.5和SHiCF-GO-3.0的(de)掃描電鏡圖。(g)SHiCF-GO-2.5的(de)FTIR圖譜。(h)SHiCF-GO-2.5的(de)Raman圖譜。(i)表面在紫外光、可(ke)見(jian)光和紅(hong)外線(xian)波長范圍內的(de)吸(xi)收光譜

太陽(yang)(yang)能驅動海水(shui)淡(dan)化為(wei)解決(jue)全球淡(dan)水(shui)短缺問(wen)題提供了新(xin)方法。為(wei)使太陽(yang)(yang)能蒸發器的(de)(de)(de)效率(lv)(lv)更接近其熱力學極限，先進(jin)材料性能和(he)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)協同(tong)作(zuo)(zuo)用(yong)在太陽(yang)(yang)能界面(mian)的(de)(de)(de)優(you)化設(she)計(ji)和(he)能量利(li)用(yong)效率(lv)(lv)最大(da)化中起(qi)著(zhu)至(zhi)關重要的(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)。針對傳統體蒸發系統存在能量轉換(huan)效率(lv)(lv)低(di)、響應速度(du)慢等(deng)問(wen)題，研究團隊(dui)從三(san)維(wei)結(jie)構(gou)設(she)計(ji)入(ru)(ru)手，提出將超親水(shui)多(duo)孔結(jie)構(gou)和(he)功(gong)能化碳基(ji)顆粒的(de)(de)(de)優(you)勢集于(yu)一(yi)身。如圖(tu)1所示，經氧化石(shi)墨烯沉積后的(de)(de)(de)超親水(shui)泡沫銅骨架(jia)表面(mian)具有粗糙的(de)(de)(de)片狀微納米結(jie)構(gou)。照射至(zhi)表面(mian)的(de)(de)(de)太陽(yang)(yang)入(ru)(ru)射光在微觀(guan)表面(mian)形貌及宏觀(guan)三(san)維(wei)腔體結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)協同(tong)作(zuo)(zuo)用(yong)下進(jin)行多(duo)次漫反射和(he)光陷阱吸(xi)收，使該表面(mian)具備極高的(de)(de)(de)太陽(yang)(yang)光吸(xi)收率(lv)(lv)。

圖2.毛細管效應表征。(a)傾斜SHiCF-GO、SHiCF蒸發器和無塵紙包覆的蒸發器的毛細上升特性。(b)毛細上升高度隨時間的變化關系。(c)水輸送以及蒸汽擴散的協同作用示意圖。(d)限制蒸汽擴散方式示意圖

無塵(chen)紙和超(chao)親水(shui)骨架作為水(shui)輸送路(lu)(lu)徑(jing)，推動液體分(fen)子沿骨架連續攀升，繼(ji)而向界(jie)面擴散，以補充(chong)相(xiang)變蒸發(fa)的水(shui)。如(ru)圖2所示，水(shui)分(fen)子在骨架周圍聚集(ji)形成超(chao)薄(bo)水(shui)層，而不是填充(chong)在多孔結構的通孔內，既可(ke)以防止太陽能(neng)加熱多余的水(shui)，又可(ke)以暴露盡可(ke)能(neng)多的蒸發(fa)面積(ji)，增加水(shui)蒸氣擴散的路(lu)(lu)徑(jing)。

圖3.蒸發性能。(a)水的質量變化。(b)不同配置蒸發器的蒸發速率。(c)雙層蒸汽擴散路徑、無塵紙蒸汽擴散路徑和SHiCF-GO蒸汽擴散路徑的蒸發率。(d)本工作中以及文獻中報道的蒸發器性能對比

圖4.三維太陽能蒸發器的能量平衡和熱損失圖

該研(yan)究通過對(dui)比九組不(bu)同配置的(de)蒸(zheng)發(fa)(fa)(fa)(fa)系(xi)統蒸(zheng)發(fa)(fa)(fa)(fa)率(lv)(lv)得出一倍太(tai)陽(yang)光(guang)(guang)強下SHiCF-GO-2.5蒸(zheng)發(fa)(fa)(fa)(fa)器的(de)最(zui)大(da)蒸(zheng)發(fa)(fa)(fa)(fa)速(su)率(lv)(lv)為(wei)1.71 kg?m?2?h?1，能量利(li)用效率(lv)(lv)高達(da)93%，其蒸(zheng)發(fa)(fa)(fa)(fa)性(xing)能在近期報道的(de)太(tai)陽(yang)能蒸(zheng)發(fa)(fa)(fa)(fa)器中(zhong)處于較(jiao)高水(shui)平。基于局域光(guang)(guang)熱轉換的(de)錐形太(tai)陽(yang)能界面(mian)(mian)蒸(zheng)發(fa)(fa)(fa)(fa)設(she)計(ji)將能量轉換集(ji)中(zhong)在蒸(zheng)發(fa)(fa)(fa)(fa)界面(mian)(mian)，通過在太(tai)陽(yang)能光(guang)(guang)熱轉換材料、界面(mian)(mian)蒸(zheng)發(fa)(fa)(fa)(fa)結構、系(xi)統絕熱設(she)計(ji)等方面(mian)(mian)的(de)協同創新，大(da)幅提升了(le)系(xi)統的(de)蒸(zheng)發(fa)(fa)(fa)(fa)速(su)率(lv)(lv)和能量利(li)用效率(lv)(lv)。該研(yan)究為(wei)太(tai)陽(yang)能驅(qu)動光(guang)(guang)熱蒸(zheng)發(fa)(fa)(fa)(fa)提供了(le)一種有(you)效途(tu)徑，可(ke)作為(wei)從(cong)海水(shui)中(zhong)提取(qu)淡(dan)水(shui)以及(ji)污水(shui)凈化的(de)潛(qian)在候選者。

胡靜教(jiao)授(shou)，現任(ren)香(xiang)(xiang)料(liao)香(xiang)(xiang)精(jing)化妝品(pin)學部副主任(ren)，先后榮獲教(jiao)育部“青(qing)年(nian)(nian)(nian)長江學者(zhe)”（2020），上(shang)(shang)海(hai)市(shi)(shi)(shi)“曙光學者(zhe)”（2019），上(shang)(shang)海(hai)市(shi)(shi)(shi)教(jiao)育系(xi)統“三八紅旗(qi)手”（2018），上(shang)(shang)海(hai)市(shi)(shi)(shi)“最(zui)美(mei)教(jiao)師”(2017)，上(shang)(shang)海(hai)市(shi)(shi)(shi)“青(qing)年(nian)(nian)(nian)拔尖人(ren)才”(2017),上(shang)(shang)海(hai)市(shi)(shi)(shi)青(qing)年(nian)(nian)(nian)“五四”獎章(2015)，上(shang)(shang)海(hai)市(shi)(shi)(shi)“青(qing)年(nian)(nian)(nian)科(ke)(ke)技啟明星(A類)”(2014)，上(shang)(shang)海(hai)市(shi)(shi)(shi)“晨光學者(zhe)”(2010)人(ren)才稱號(hao)。課(ke)題組(zu)從事香(xiang)(xiang)精(jing)香(xiang)(xiang)料(liao)緩(huan)控(kong)釋(shi)，氣味分子相互(hu)作(zuo)(zuo)用(yong)，潛香(xiang)(xiang)體合成與(yu)(yu)控(kong)釋(shi)等方向研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)。課(ke)題組(zu)致力(li)于完善青(qing)年(nian)(nian)(nian)教(jiao)師與(yu)(yu)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)生(sheng)的(de)(de)科(ke)(ke)研(yan)(yan)環(huan)境，激(ji)發青(qing)年(nian)(nian)(nian)科(ke)(ke)研(yan)(yan)人(ren)員(yuan)的(de)(de)創(chuang)新能力(li)。呂鳳(feng)勇(yong)老師是(shi)(shi)我(wo)校(xiao)新進教(jiao)師，為(wei)本(ben)文第一(yi)作(zuo)(zuo)者(zhe)。香(xiang)(xiang)精(jing)香(xiang)(xiang)料(liao)技術(shu)與(yu)(yu)工程(cheng)是(shi)(shi)一(yi)門以化學，材料(liao)，生(sheng)物，食品(pin)等作(zuo)(zuo)為(wei)主要(yao)基礎(chu)的(de)(de)應用(yong)學科(ke)(ke)。該項研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)成果在(zai)國際具有重要(yao)影響力(li)期刊(kan)上(shang)(shang)的(de)(de)發表，反映了胡靜教(jiao)授(shou)在(zai)學科(ke)(ke)交叉的(de)(de)構想設計上(shang)(shang)初步成效。