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山大《AM》:超高孔隙率分层结构黑金膜,用于太阳能蒸汽发电!

2022-05-13  材料科学网   |  转藏
   
由于工业化和不断增长的人口,淡水短缺已成为一个主要问题。太阳能蒸汽发电(SSG)是一种低成本、环保的技术,有望缓解当前的水危机,并显示出在水净化和海水淡化方面的应用潜力。主要考虑三种策略来提高系统的SSG性能: 增强光吸收能力,减少与大量水和周围环境的热交换所造成的热损失,以及提供足够的水传输路径。在开发高效光热材料(如碳基材料、等离子体金属、聚合物和半导体)和热绝缘结构的合理设计中,已经投入了大量的努力来采用这些策略。

等离子体金属因其局域表面等离子体共振效应而显示出产生太阳蒸汽(SSG)的巨大潜力。然而,等离子体金属固有的窄吸收光谱极大地限制了它们的应用。纳米结构的制造对于实现高效蒸汽产生的宽带太阳能吸收是必不可少的。

近日,山东大学材料科学与工程学院的科研人员通过配制极稀的Cu99Au1前驱体并控制去合金化过程,制备了具有超高孔隙率和分级多孔结构的自支撑黑金膜。原位和异位表征揭示了Cu99Au11 M HNO3溶液中的去合金化机制,包括Cu(Au) →Au(Cu) → Au的相变、巨大的体积收缩(87%)、韧带的结构演变/粗化和超高孔隙率的发展(86.2%)。由超细纳米多孔纳米线、对齐的纳米间隙和各种微间隙组成的多尺度结构提供了300-2500 nm的有效宽带吸收、优异的亲水性和连续的水传输。特别地,纳米多孔黑色金膜显示出高SSG性能,在1 kw·m-2的光强下,蒸发速率为1.51 kg·m-2·h-1,光热转换效率为94.5%这些研究结果表明,纳米多孔金膜在清洁水生产和海水淡化方面具有巨大的潜力。这项研究工作以“Hierarchically Structured Black Gold Film with Ultrahigh Porosity for Solar Steam Generation”为题发表在国际顶级期刊《AM》上。
原文链接: 
/doi/10.1002/adma.202200108

1. XRDTEM等结构表征

2. SEM形貌表征

图3  尺寸变化

图4 XPS和水接触角测试

综上所述,作者通过将极稀的Cu99Au1前驱体在HNO3溶液中去合金化,成功地制备了具有分级结构和超高孔隙率的自支撑黑金膜。原位XRD和非原位SEM结果揭示了去合金化过程中Cu(Au) → Au(Cu) → Au的相变,伴随着显著的体积收缩(高达87%)和超高孔隙率(86.2%)的形成。由于平均纽带尺寸为7.9±1.9nm的纳米多孔纳米线的独特结构,纳米线之间变化的纳米间隙和大量的微间隙,NPG-6薄膜在300-2500 nm范围内表现出有效的宽带吸收以及优异的亲水性。NPG-6薄膜中层次丰富的微/纳米通道提供了足够的水传输路径,并且设计的隔热结构显著降低了向大量水的散热。因此,NPG-6薄膜可以实现高效的太阳能蒸汽发电,在1 kW m-2的光强下转换效率高达94.5%。此外,NPG-6膜的水蒸馏试验证实了从海水中有效生产清洁水的可行性。因此,合成的薄膜有望用于海水淡化。(文:one end)

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