上海光機所在低電壓驅動焦耳熱界面蒸發方面取得進展

　　【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光元件技術與工程部吳衛平研究員和劉豐華副研究員團隊，在新型介孔碳材料實現微觀界面焦耳熱蒸發方面取得進展，相關研究成果以“Electrically powered artificial black body for low-voltage high-speed interfacial evaporation”為題，發表在Journal of Materials Chemistry A上。
 

　　太陽能是一種無污染、無二氧化碳排放的可再生能源，太陽能的利用有光熱轉換和光電轉換兩種方式。基于光熱效應的界面蒸發是一項有別于傳統方法的新技術，在應對全球氣候問題和清潔能源高效利用等方面具有重要意義。然而，基于光熱的界面蒸發技術面臨蒸發速率低，且難以實現緊湊化設計等瓶頸問題，嚴重阻礙了其推廣和應用。
 

　　研究人員在前期光熱界面蒸發研究工作的基礎上，采用體相導電介孔碳材料構筑了一種低成本、機械強度高的焦耳熱蒸發裝置，實現了低電壓(1 V-9 V)驅動的高速率蒸汽產生速率(達98.7 kg m−2 h−1)，其能量轉換效率達到80%以上，并有望進一步提升。與基于傳統80/20 CrNi電阻電熱合金加熱蒸發裝置相比，蒸發速率與能耗發生了數量級變化。這主要是基于成型體相多孔碳材料內部豐富的分級介孔微納結構、可調諧的化學表面特性及適宜可調的電導率等優勢。由電場產生的焦耳熱被限制在有限的空間內，通過介孔碳材料達到了微觀限域控制效果，與碳材料內部的界面水實現了能量與蒸發的局域化匹配。該研究還研制并測試了一種低電壓驅動的加熱模塊化裝置，展示了利用太陽能電池、風能和潮汐發電等可再生能源的工業潛力和新的離網解決方案，將有助于分布式可再生綠色能源的應用拓展。
 

　　本項研究證實了多孔碳材料在焦耳熱作用下的微觀表界面限域蒸發性能，獲得了高的蒸汽轉化速率和能量轉換效率，具有可集成化、多物理場協同等特點，表明具有微納尺度結構的體相介孔碳材料及其低電壓焦耳熱技術，在能量限域利用、海水淡化、礦物提取及蒸餾提純等領域的應用前景。
 

　　相關工作得到了科技部重點研發計劃和中國科學院特別研究助理資助項目的支持。
 

　　圖1 基于體相多孔碳材料的微觀限域界面蒸發。(a)基于光熱及焦耳熱原理太陽能利用實現穩定界面蒸發的概念圖。體相多孔碳材料的(b，c)掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)照片，(d，e)氮氣吸脫附曲線和孔徑分布。(f) 通過低電壓驅動產生焦耳熱實現高速率界面蒸發的原理示意圖。(g) 微觀限域作用下的水蒸發過程和機理示意圖。