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您的位置:首页 > 《National Science Review》和《Advanced Materials》刊登现代工程与应用科学学院朱嘉教授研究组在高效太阳能光热转换方面的最新进展

我校现代工程与应用科学学院朱嘉教授研究组,在高效太阳能光热转换方面取得新进展,近期以《Three-dimensional artificial transpiration for efficient solar waste water treatment》和《Mushrooms as efficient solar steam-generation devices》为题分别发表在National Science Review (DOI: 10.1093/nsr/nwx051)和 Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201606762)和上。课题组博士生李秀强为第一篇文章的第一作者,博士生徐凝与助理研究员胡晓珍为第二篇文章的共同一作,朱嘉教授是论文的通讯作者,这一系列工作得到了南京大学祝世宁院士的指导与支持。

 

高效的太阳能转换与利用被视为国家能源的重大需求,其中光-热(蒸汽)的转化在海水淡化,水处理,化工,灭菌等领域展现出很好的应用前景。然而由于光学和热学的损耗,传统的光-热(蒸汽)转化效率较低 (~40%),很大程度上限制了其广泛应用。朱嘉教授课题组围绕高效界面光热转换,做出了一系列工作:首先成功地实现了最黑等离激元吸收体的制备 (Science Advances, 2, e1501227 (2016));在此基础之上实现了首个基于等离激元增强效应的太阳能海水淡化器件(Nature Photonics, 10, 393-398 (2016)),从而很大程度解决了系统的光学损耗问题;随后通过二维水通道设计和氧化石墨烯气凝胶结构大大降低了器件向水体的热传导损耗 (PNAS, 113, 13953-13958 (2016);Advanced Materials,29,1604031-1604037 (2017))。而最新的这两项工作从三维结构入手,利用天然“蘑菇”和“三维人工蒸腾”结构,最大限度地解决在实际应用中太阳能入射角带来的光学损耗和三项主要热学损耗 (热传导,热对流和热辐射)问题。

 

(1) 发表在Advanced Materials的工作,首次利用生物体,碳化前后的香菇作为光热转化器件 (如图1所示),充分利用其天然优良的宏观及微观结构:伞状的黑色菌盖,多孔结构的菌肉,横截面积小且纤维状的菌柄,实现高效的光吸收,有效的水供应和蒸汽逸散,且同时能极大地降低热耗散。香菇柄底端和水体接触,将水传输和热传导限制在这个准一维通道内(通道截面积不到吸光截面积的十分之一),在保证有效水供应的同时极大抑制了热向水体传输所产生的传导耗散; 伞状的弧形菌盖产生了更大的蒸发面积且降低了工作温度,进而有效控制了热对流和热辐射的损耗(如图2所示),从而在无需外界聚焦的条件下,香菇和碳化后的香菇分别可达到~62%和~78%的光-蒸汽转换效率。