我国科大研发一种可继续生物组成仿生多层级太阳能蒸汽发生器

  现在，国际人口的五分之终身活在缺水区域。对这些区域的人们来说，尤其是在短少安稳电力的区域，取得洁净的饮用水通常是一项艰巨的使命。因而，火急地需求一种高效，低本钱，可继续和简略易得的技能和设备来发生清洁的饮用水。太阳能是地球上最丰厚和广泛的资源之一。太阳能清水技能简略有用，可从不行饮用的水源（如湖水，污水或海水）中取得洁净的饮用水。

  近来，我国科学技能大学俞书宏院士团队开发了一种根据细菌纤维素纳米复合资料的高效且可继续的仿生多层级太阳能蒸汽发生器（HSSG）。该HSSG是经过一步气溶胶辅佐生物组成进程制作的。经过规划的微生物组成进程成功地与纳米资料的气溶胶堆积技能相结合，而且直接高效地构建了杂乱的仿生层级结构。该HSSG的分层结构包含三个具有不一样功用的接连层，包含碳纳米管与细菌纤维素复合的光吸收层，玻璃微珠与细菌纤维素复合的隔热层以及用于支撑和输水的木质基材（图1）。在HSSG中，细菌纤维素水凝胶的三维纤维素纳米纤维网络明显降低了将液态水转化为蒸汽的能耗并加快水汽化。因为这种仿生结构规划和纳米网络降低了蒸腾焓，HSSG能轻松完成2.9 kg m-2h-1的高蒸腾速率和80％的太阳能转化功率。论文在线宣布在Nano Letters上（Nano Letters 2020, 10.1021/acs.nanolett.0c01088）。

  图1.可继续生物组成多层级太阳能蒸汽发生器制备进程。(A)经过气溶胶辅佐生物组成技能在木材基材上结构玻璃微珠/细菌纤维素隔热层。HSSG核心部件示意图，玻璃微珠/细菌纤维素复合层能够阻挠向下的暖流并答应水快速向上传输。一起顶部的碳纳米管/细菌纤维素层可有用吸收光并发生蒸汽。(B)使用碳纳米管（CNTs）的气溶胶经过气溶胶辅佐的生物组成进程在隔热层上结构光吸收层。(C)多层级太阳能蒸汽发生器结构示意图。(D)木质基底结构图，木质基底具有能够有用运送水的筛管结构。(E)玻璃微珠嵌入纤维素纳米纤维的网络中，构成了具有十分超卓水传输才能的高效隔热层。(F)CNTs与纤维素纳米纤维缠结，构成具有光吸收才能的水蒸腾层。

  图2.可继续生物组成多层级太阳能蒸汽发生器作业原理。(A)HSSG核心部件示意图，玻璃微珠/细菌纤维素复合层能够阻挠向下的暖流并答应水快速向上传输。一起顶部的碳纳米管/细菌纤维素层可有用吸收光并发生蒸汽。(B)功率与蒸腾速率的联系图，包含了本文报导的HSSG和文献中的部分作业。 图表中的X轴表明器材的蒸腾速率，图表中的Y轴表明器材的太阳能转化功率。

  在该HSSG中，分层结构的纳米复合资料在木质基底上成长，并经过纳米纤维的BC网络与基底严密结合。细菌纤维素纳米纤维与木材的纤维素交联，构成严密的浸透层，该浸透层在基底和BC纳米复合资料层之间起着结实的粘合剂的效果。这种结构保证了从基底到BC纳米复合资料层的快速水传输，并使它们结实地附着在基底上。这为隔热和水传输供给了结构根底。玻璃微珠是微米级的空心玻璃球，其镶嵌散布在细菌纤维素的三维网络中，为隔热和水运送供给了结构根底。在该器材的顶部，碳纳米管和细菌纤维素纳米复合资料层具有杂乱的交织结构，其间碳纳米管和纤维素纳米纤维构成了纳米标准的两层网络。在这种双网络结构中，碳纳米管网络起着高效的光吸收剂的效果，而细菌纤维素纳米纤维网络则用于运送水和削减蒸腾的能量消耗。基底、玻璃微珠/细菌纤维素层和碳纳米管/细菌纤维素层的这种多层结构规划的详细计划旨在完成快速的水传输、热办理、有用的光吸收和削减的汽化能耗。

  此外，为了更便利研讨蒸腾速率，能量转化功率和蒸腾能量消耗之间的联系，该研讨团队还提出了一种新颖的二维图表剖析办法，其间的指导线显现了不同的蒸腾焓。这种理论剖析办法可用以剖析太阳能蒸汽发生器器材中不同功用部件对蒸腾速率的奉献。

  与其他太阳能清水技能比较，这种HSSG蒸汽发生器在蒸腾率、能量转化功率、可继续性和本钱方面具有很大的优势，有望开展成为未来水净化中的新的技能途径。

  该研讨遭到国家自然科学基金委立异研讨集体、国家自然科学基金要点项目、我国科学院前沿科学要点研讨项目、我国科学院纳米科学杰出立异中心、合肥综合性国家科学中心等赞助。