二維超泡沫在改善太陽能水蒸發的應用研究

作為最.有.效的水凈化方法之一，太陽能凈化水已獲眾多研究學者的關注。一方面，利用太陽能凈化水非常環保，另一方面，該工藝所需的設備安裝和操作要求相對較低。為了提高太陽能凈化水的效率，已有學者提出了幾種凈化方法，如預熱法、夜間加熱法和附加熱源法,帶有黑色吸收片（BAS）的增強型太陽能蒸餾法（SSG）就是其中的一種方法。但SSG蒸發只發生在水-氣界面，如何增加加熱過程中界面面積成了提高SSG效率的關鍵。此外，BAS材料本身的性能也是SSG的速率的重要影響因素。

大量研究發現，微尺寸多孔結構BAS可以提高SSG的蒸發速率：一方面，這種結構大大增加了水-氣界面；另一方面，BAS自身具有高吸收率和良好的隔熱性能，這既能夠減少熱量損失，又能夠提高吸熱效率。此外，雙層BAS能夠進一步提高SSG的速率。通常，BAS可以由化學方法或者碳化方法制得，然而這樣制得的BAS的孔徑的大小和孔的分布都是隨機的，無法可控地得到*佳的蒸發速率。為了進一步優化SSG，古斯塔夫•埃菲爾大學的Elyes Nefzaoui團隊與巴黎東大Tarik Bourouina以及西安交通大學的韋學勇教授聯合提出了一種二維超材料泡沫（meta-foams），這種超泡沫具有確定的孔徑和規則的孔分布，在優化研究中可作為有效可控的模型，該團隊也將這種超泡沫作為表面增強型太陽能水蒸發器的研究工作中。

在該研究工作中，納米黑硅（B-Si）因其在可見光到近紅外波段具有優異的吸收率和光熱性能被用作超泡沫材料。采用等離子刻蝕制備了具有分層納米結構和周期性二維多孔超泡沫，并就孔徑大小、孔的數量對蒸發速率的影響進行了探索。研究發現：孔徑和孔的數量是一把雙.刃劍，一方面，孔徑和數量要盡可能的多，以保證系統能提供充足的水量；另一方面，孔徑過大和數量過多會導致吸收的熱量減少。此外，研究團隊也設計了雙層系統，以保證可靠的吸水性、穩定的吸熱和隔熱性能。

實驗表明，在一次太陽光輻射、常溫、相對濕度為58%時，直徑20μm的B-Si超泡沫樣品*佳蒸發速率可達到1.34 kg/(h⋅m2)，轉換率可以達到可觀的89%（實驗條件不變的情況下，理論蒸發速率可達 1.5 kg/(h⋅m2）），蒸發速率是普通蒸餾法的3.96倍。同時，該團隊發現了另外一種低成本制造超泡沫的方法：借助摩方高精度3D打印設備(nanoArch S130,摩方精密)制作超泡沫樣品。實驗證實，在同一實驗條件下，孔徑為275μm的3D打印的超泡沫的蒸發速率為1.32 kg/（h⋅m2）。這個結果與B-Si超泡沫的*佳值相當，在SSG中顯示出非常*的性能。3D打印的超泡沫可以作為B-Si超泡沫的低成本代替品，具有很好的發展潛力和應用前景。

圖1.超泡沫的概念示意圖:(a)由二維周期結構制成的優化超材料，(b)應用于優化太陽能水凈化，(c)B-Si周期性微孔超泡沫的SEM圖像。測量的吸收光譜:(d)不同多孔表面的原始測量數據，(e)暴露在太陽輻射下的結構表面有效吸收率。

圖2.二維B-Si超泡沫：(a)斷面示意圖，(b)用于實驗樣品照片，(c)三種不同超泡沫材料的蒸發速率，與常規泡沫蒸發速率和自然水蒸發速率進行了比較。

圖3.3D打印的超泡沫：(a)圓柱微孔的截面SEM視圖，(b)三種不同的超泡沫的蒸發速率，并與自然水蒸發速率進行了比較。

圖4.吸收率和蒸發速率、表面平衡溫度的函數關系

圖5.孔隙率和蒸發速率的函數關系

圖6.硅基二維超泡沫的制作過程

此外，該團隊還用海水對二維超材料超泡沫的表面強化型太陽能蒸餾進行了實驗評估：將超泡沫在海水中浸泡了14天，并與同等實驗條件下用去離子水浸泡的超泡沫進行對比。實驗結果發現，在海水中浸泡14天后，超泡沫在SSG的蒸發性能降低約7%-9%。從圖7可推測，蒸發性能降低很可能是由于結晶鹽堵塞了超泡沫的孔隙，導致吸收率的降低。如果能夠解決孔隙堵塞的問題，那么具有BAS超泡沫結構的SSG在海水凈化方面將發揮巨大的應用潛力。

圖7.（a）海水蒸發速率和去離子水蒸發速率的對比（b）海水中浸泡之前超泡沫表面的顯微鏡圖像（c）海水中浸泡之后超泡沫表面的顯微鏡圖像

該研究成果以題為：Two-dimensional metamaterials as meta-foams for optimized surface-enhanced solar steam generation發表在《Solar Energy Materials & Solar Cells》期刊上。