best官网登录入口青年教师吕凤勇在《Small》上发表光热利用研究成果
近日，以上海应用技术大学为第一完成单位，上海应用技术大学城市建设与安全工程学院 能源与动力工程专业教师吕凤勇为第一作者，城市建设与安全工程学院学生苗洁，香料香精技术与工程学院胡静教授和英国爱丁堡大学教师Orejon Daniel为共同作者，在太阳能驱动光热界面蒸发研究领域完成题为“3D Solar Evaporation Enhancement by Superhydrophilic Copper Foam Inverted Cone and Graphene Oxide Functionalization Synergistic Cooperation”的研究成果，并发表在WILEY出版社旗下的纳米材料领域旗舰期刊《Small》上（注：影响因子为15.153），论文下载链接：https://doi.org/10.1002/smll.202208137。该研究工作以超亲水泡沫铜为基材，从三维结构设计入手，开发了一种分级三维倒锥形太阳能蒸发器，其具有氧化铜与氧化石墨烯协同的微纳米结构，可通过简单的化学氧化、物理沉积和室温干燥等技术制备。该蒸发器能够实现高效太阳能吸收、连续液膜输送以及无阻碍蒸汽扩散的同时，其独特的分层结构赋予蒸发系统优异的保温性能，为实现高效太阳能原位局域蒸发提供了新思路，具有良好的应用前景。
太阳能驱动海水淡化为解决全球淡水短缺问题提供了新方法。为使太阳能蒸发器的效率更接近其热力学极限，先进材料性能和结构的协同作用在太阳能界面的优化设计和能量利用效率最大化中起着至关重要的作用。针对传统体蒸发系统存在能量转换效率低、响应速度慢等问题，研究团队从三维结构设计入手，提出将超亲水多孔结构和功能化碳基颗粒的优势集于一身。如图1所示，经氧化石墨烯沉积后的超亲水泡沫铜骨架表面具有粗糙的片状微纳米结构。照射至表面的太阳入射光在微观表面形貌及宏观三维腔体结构的协同作用下进行多次漫反射和光陷阱吸收，使该表面具备极高的太阳光吸收率。
图1. 吸收原理、蒸发器、3D倒锥形太阳能蒸发器的制备工艺和特性示意图。(a) 蒸发器示意图。(b) 蒸发系统示意图。(c) 超亲水表面制备工艺。(d-f) SHiCF、SHiCF-GO-2.5和SHiCF-GO-3.0的扫描电镜图。(g) SHiCF-GO-2.5的FTIR图谱。(h) SHiCF-GO-2.5的Raman图谱。(i)表面在紫外光、可见光和红外线波长范围内的吸收光谱。
图2. 毛细管效应表征。(a) 倾斜SHiCF-GO、SHiCF蒸发器和无尘纸包覆的蒸发器的毛细上升特性。(b) 毛细上升高度随时间的变化关系。(c) 水输送以及蒸汽扩散的协同作用示意图。(d)限制蒸汽扩散方式示意图。
无尘纸和超亲水骨架作为水输送路径，推动液体分子沿骨架连续攀升，继而向界面扩散，以补充相变蒸发的水。如图2所示，水分子在骨架周围聚集形成超薄水层，而不是填充在多孔结构的通孔内，既可以防止太阳能加热多余的水，又可以暴露尽可能多的蒸发面积，增加水蒸气扩散的路径。
图3. 蒸发性能。(a)水的质量变化。(b)不同配置蒸发器的蒸发速率。(c)双层蒸汽扩散路径、无尘纸蒸汽扩散路径和SHiCF-GO蒸汽扩散路径的蒸发率。(d)本工作中以及文献中报道的蒸发器性能对比。
该研究通过对比九组不同配置的蒸发系统蒸发率得出一倍太阳光强下SHiCF-GO-2.5蒸发器的最大蒸发速率为1.71 kg·m−2·h−1，能量利用效率高达93%，其蒸发性能在近期报道的太阳能蒸发器中处于较高水平。基于局域光热转换的锥形太阳能界面蒸发设计将能量转换集中在蒸发界面，通过在太阳能光热转换材料、界面蒸发结构、系统绝热设计等方面的协同创新，大幅提升了系统的蒸发速率和能量利用效率。该工作为太阳能驱动光热蒸发提供了一种有效途径，可作为从海水中提取淡水以及污水净化的潜在候选者。
图4. 三维太阳能蒸发器的能量平衡和热损失图。
该研究成果是我校能源与动力工程方向在国际具有重要影响力期刊上发表高水平论文的一次重大突破，也反映了近年来我校在创新团队建设上初显成效。在城市建设与安全工程学院的支持下，通过夯实理论基础、强化学术创新、开拓国际视野等多种举措，多学科交叉融合着力提升教师的科研能力，形成了积极奋进、充满朝气的学术氛围，相信未来必将有更好的科研成果、未来可期！
本文第一作者吕凤勇，博士毕业于上海交通大学，2019年至今任上海应用技术大学城市建设与安全工程学院能源与动力工程专业讲师，主要从事太阳能光热界面蒸发、亲水表面、超疏水表面和超滑表面(SLIPS)在流动和相变换热领域的研究。目前在《Small》、《International Journal of Heat and Mass Transfer》、《International Communications in Heat and Mass Transfer》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Energy》、《Energy Conversion and Management》、《Advances in Colloid and Interface Science》、《Applied Surface Science》、和《Applied Thermal Engineering》等国际高水平期刊发表SCI论文13篇。获得ESI高被引论文奖和国际会议最佳海报奖，到目前为止所发表的学术论文被引用400多次，担任国际学术期刊《Energy》、《International Journal of Heat and Mass Transfer》和《Applied Thermal Engineering》学术审稿人。
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