近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率激光元件技術(shù)與工程部吳衛(wèi)平研究員和劉豐華副研究員團(tuán)隊，在新型介孔碳材料實現(xiàn)微觀界面焦耳熱蒸發(fā)方面取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Electrically powered artificial black body for low-voltage high-speed interfacial evaporation”為題，發(fā)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(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換兩種方式?；诠鉄嵝?yīng)的界面蒸發(fā)是一項有別于傳統(tǒng)方法的新技術(shù)，在應(yīng)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(fā)技術(shù)面臨蒸發(fā)速率低，且難以實現(xiàn)緊湊化設(shè)計等瓶頸問題，嚴(yán)重阻礙了其推廣和應(yīng)用。

　　研究人員在前期光熱界面蒸發(fā)研究工作的基礎(chǔ)上，采用體相導(dǎo)電介孔碳材料構(gòu)筑了一種低成本、機(jī)械強(qiáng)度高的焦耳熱蒸發(fā)裝置，實現(xiàn)了低電壓(1 V-9 V)驅(qū)動的高速率蒸汽產(chǎn)生速率(達(dá)98.7 kg m?2 h?1)，其能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到80%以上，并有望進(jìn)一步提升。與基于傳統(tǒng)80/20 CrNi電阻電熱合金加熱蒸發(fā)裝置相比，蒸發(fā)速率與能耗發(fā)生了數(shù)量級變化。這主要是基于成型體相多孔碳材料內(nèi)部豐富的分級介孔微納結(jié)構(gòu)、可調(diào)諧的化學(xué)表面特性及適宜可調(diào)的電導(dǎo)率等優(yōu)勢。由電場產(chǎn)生的焦耳熱被限制在有限的空間內(nèi)，通過介孔碳材料達(dá)到了微觀限域控制效果，與碳材料內(nèi)部的界面水實現(xiàn)了能量與蒸發(fā)的局域化匹配。該研究還研制并測試了一種低電壓驅(qū)動的加熱模塊化裝置，展示了利用太陽能電池、風(fēng)能和潮汐發(fā)電等可再生能源的工業(yè)潛力和新的離網(wǎng)解決方案，將有助于分布式可再生綠色能源的應(yīng)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(fā)性能，獲得了高的蒸汽轉(zhuǎn)化速率和能量轉(zhuǎn)換效率，具有可集成化、多物理場協(xié)同等特點，表明具有微納尺度結(jié)構(gòu)的體相介孔碳材料及其低電壓焦耳熱技術(shù)，在能量限域利用、海水淡化、礦物提取及蒸餾提純等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

　　相關(guān)工作得到了科技部重點研發(fā)計劃和中國科學(xué)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(fā)。(a)基于光熱及焦耳熱原理太陽能利用實現(xiàn)穩(wěn)定界面蒸發(fā)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?dú)馕摳角€和孔徑分布。(f) 通過低電壓驅(qū)動產(chǎn)生焦耳熱實現(xiàn)高速率界面蒸發(fā)的原理示意圖。(g) 微觀限域作用下的水蒸發(fā)過程和機(jī)理示意圖。