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PVDF-CNT自漂浮多孔微珠的制备及在高效太阳能驱动界面水蒸发中的应用

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高等学校化学学报 2021年第8期42卷 2689-2693页

作者：梁平平刘帅李红艺丁亚丹温晓琨刘俊平洪霞东北师范大学紫外光发射材料与技术教育部重点实验室长春130024 吉林农业科技学院机械与土木工程学院吉林132101

采用操作便捷的相转化法制备了可用于太阳能驱动界面水蒸发的聚偏氟乙烯-碳纳米管(PVDF-CNT)自漂浮多孔微珠.PVDF-CNT微珠独特的组成和多孔微球结构有助于实现太阳光的高效捕获、充分的水运输和快速的蒸汽逸出,且CNTs含量越高,PVDF-CNT... 详细信息

采用操作便捷的相转化法制备了可用于太阳能驱动界面水蒸发的聚偏氟乙烯-碳纳米管(PVDF-CNT)自漂浮多孔微珠.PVDF-CNT微珠独特的组成和多孔微球结构有助于实现太阳光的高效捕获、充分的水运输和快速的蒸汽逸出,且CNTs含量越高,PVDF-CNT微珠性能越佳.PVDF-CNT微珠最多可吸收约94.5%的太阳光,2 min内使水面温度从20.8℃升高至43.1℃.在1 kW/m^(2)的太阳光模拟器照射下,水蒸发速率高达1.501kg/(m^(2)·h),太阳能转换效率高达94.2%.

关键词：碳纳米管聚合物相转化法光热性质水蒸发

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碳化木的水热制备及其光热水蒸发性能强化

农业工程学报 2022年第18期38卷 222-228页

作者：李艳彭贤汉洪文鹏兰景瑞李浩然东北电力大学能源与动力工程学院吉林132012

针对目前太阳能驱动界面水蒸发技术材料成本高、制备过程复杂、蒸发速率较低等问题,该研究基于农林樟子松自然进化的多孔结构,采用操作简单的一步热水法制备了亲水性强、蒸发速率接近理论极限的多孔光热材料。基于光热材料的碳化程度与... 详细信息

针对目前太阳能驱动界面水蒸发技术材料成本高、制备过程复杂、蒸发速率较低等问题,该研究基于农林樟子松自然进化的多孔结构,采用操作简单的一步热水法制备了亲水性强、蒸发速率接近理论极限的多孔光热材料。基于光热材料的碳化程度与供水高度调节,结合太阳能驱动界面水蒸发试验,考查了不同碳化温度、碳化时间和光热材料高度对界面光热水蒸发特性的影响规律。基于微观结构、元素分布、毛细水输运与传热规律分析,重点阐述了碳化木强化界面水蒸发的潜在机理。结果表明,温和的碳化过程保留了原木的原始孔隙结构,但木纤维被大量碳微球覆盖,形成了更加粗糙的表面,增强原木对入射光的吸收能力,使蒸发表面的温度提升了2.3℃。碳化反应去除了原木的部分疏水性木质素和半纤维素,增加了亲水基团-OH的比例,因此芯吸时间为120 s时,水在碳化木中的爬升高度由4.2 mm增加至22.3 mm。碳化木的稳态蒸发速率相比水和原木分别提高了130%和28%。碳化温度和时间分别为200℃和8 h的碳化木获得了最大蒸发速率1.24 kg/(m^(2)·h)。光热材料侧壁高度的增加降低了顶部蒸发面的供水速率和平均温度,因蒸发器热阻和热损失的减少而提升了蒸发速率。当侧壁高度为15 mm时,蒸发效率为66.2%,其等效蒸发速率为1.48 kg/(m^(2)·h),与理论极限接近。该研究为农林废弃物资源化利用和太阳能驱动界面水蒸发过程热湿平衡调控理论的发展提供了重要参考。

关键词：太阳能生物质碳化木水热法水蒸发水处理蒸发速率

石墨烯三维结构组装体制备及光热水蒸发和水处理研究进展

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物理化学学报 2022年第1期38卷 6-19页

作者：陈清赵健程虎虎曲良体中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室北京100012 清华大学化学系有机光电与分子工程教育部重点实验室北京100084 清华大学机械系摩擦学国家重点实验室北京100084

水资源短缺是世界长期面临的问题,当前全球80多个国家的约15亿人口面临淡水不足,其中26个国家的3亿人口完全生活在缺水状态。近年来,人们开发了新型太阳能界面水蒸发材料和技术,能够利用高效光热材料吸收太阳能转化为热能,实现大量的、... 详细信息

水资源短缺是世界长期面临的问题,当前全球80多个国家的约15亿人口面临淡水不足,其中26个国家的3亿人口完全生活在缺水状态。近年来,人们开发了新型太阳能界面水蒸发材料和技术,能够利用高效光热材料吸收太阳能转化为热能,实现大量的、快速的水蒸发,冷凝后收集便得到洁净水,是一种高效、绿色、低成本水处理和解决水资源短缺的方法。石墨烯三维组装体材料的物理和化学性质优异,光热转化效率高,同时其太阳光吸收率高,内部微纳孔道丰富,具有良好的水传输通道,表面水蒸发面积大,在太阳光照射下能够实现超高的水蒸发速率,在光热水处理方面展现了巨大的科学研究意义和实用价值。本文将综述石墨烯三维组装体的制备及光热水处理方面的研究进展,包括石墨烯三维结构组装体制备方法,其光热水蒸发性能,总结了石墨烯三维结构组装体在光热水蒸发及水处理方面的应用,最后分析了石墨烯三维结构组装体光热水处理面临的问题及展望。

关键词：石墨烯三维结构光热转化水蒸发水处理

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CNTs-HEC/PVDF多孔复合膜增强太阳能界面水蒸发

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复合材料学报 2023年第5期40卷 2749-2758页

作者：许晓坚李博詹硕浙江工业大学理学院杭州310023

太阳能界面水蒸发技术在解决目前人类所面临的能源和淡水资源短缺方面具有广阔的应用前景。水输运是太阳能水蒸发过程中十分重要的一环。理想状态下的水输运是输送适量的水来维持太阳能蒸发层高效、稳定的水蒸发。而蒸发层所拥有的多孔... 详细信息

太阳能界面水蒸发技术在解决目前人类所面临的能源和淡水资源短缺方面具有广阔的应用前景。水输运是太阳能水蒸发过程中十分重要的一环。理想状态下的水输运是输送适量的水来维持太阳能蒸发层高效、稳定的水蒸发。而蒸发层所拥有的多孔结构所产生的毛细管作用力决定了其水输运的能力。因此,蒸发层内部的孔隙结构非常重要。本文以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体,借助碳纳米管(CNTs)的优异光吸收能力,通过羟乙基纤维素(HEC)掺杂并与戊二醛进行交联制备了可用于太阳能界面水蒸发的CNTs-HEC/PVDF多孔复合膜。CNTs-HEC/PVDF复合膜的多孔结构形成的微通道提高了水输运和蒸汽逸出能力,从而增强了太阳能界面水蒸发性能。在1 kW·m^(-2)的太阳光照射下,其水蒸发速率达到1.81 kg·m^(-2)·h^(-1),相应的光热转化效率为95%。相关实验结果还展现出该复合膜具有优异的循环使用性能、化学稳定性和高效的污水净化能力。

关键词：碳纳米管纤维素水蒸发光热转换醛基交联

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基于炭黑的水蒸发产电:一种新型发电装置

物理化学学报 2017年第3期33卷 449-450页

作者：李轶 Department of Chemistry and Biochemistry University of California

过去的几十年里,世界各国的科学家们一直致力于从复杂环境中收集能量,包括振动能、太阳能、风能和海洋能。而如何将日常环境中低品质热能有效地转换成电能却依然是一项非常有挑战性的课题。传统的流动电位（streaming potential）~1通... 详细信息

过去的几十年里,世界各国的科学家们一直致力于从复杂环境中收集能量,包括振动能、太阳能、风能和海洋能。而如何将日常环境中低品质热能有效地转换成电能却依然是一项非常有挑战性的课题。传统的流动电位（streaming potential）~1通过外加的压力差或者浓度差来产生电位差。对于如何在不使用额外的能源输入的条件下,依靠自然的过程来发电,这方面的研究吸引了众多科学家的兴趣。自然界的水蒸发无处不在,

关键词：流动电位水蒸发 streaming 发电装置浓度差日常环境海洋能振动能周围环境航空航天

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水蒸发驱动混合式纳米发电机的研究

水蒸发驱动混合式纳米发电机的研究

作者：赵晓涵辽宁师范大学

学位级别：硕士

环境热能是一种自然环境中无处不在的、可再生的绿色能源。水伏效应是通过纳米材料与水作用将水中能量直接转化为电能的现象。近些年,研究发现基于纳米材料制备的水伏发电机可将环境热能转化为电能,特别是由自然水蒸发作为驱动力的水伏... 详细信息

环境热能是一种自然环境中无处不在的、可再生的绿色能源。水伏效应是通过纳米材料与水作用将水中能量直接转化为电能的现象。近些年,研究发现基于纳米材料制备的水伏发电机可将环境热能转化为电能,特别是由自然水蒸发作为驱动力的水伏纳米发电机已被证明具有巨大的发展潜力。利用纳米材料制备水蒸发驱动的纳米发电机,大多是采用纳米材料直接堆叠构成纳米发电机。这种制备方式使得发电机中的纳米材料之间结合力不强,发电机的机械强度较差。在复杂的工作条件下,如大幅度变形、水流冲洗或穿戴过程中,发电机中的纳米材料容易产生脱落现象。另外,研究者大多采用固定式水槽为水蒸发驱动纳米发电机蓄水,这种水槽非常笨重,不便于可移动或可穿戴式水蒸发驱动纳米发电机的制备。因此,为实现水蒸发驱动纳米发电机在柔性、可移动和可穿戴电子器件领域的实际应用,就要求纳米发电机兼具良好的机械稳定性、柔性和可移动式供水装置。本文提出了一种水蒸发驱动纳米发电机的混合制备技术,利用有机粘结剂提高了水蒸发驱动纳米发电机的机械强度,并实现了发电机的可移动自供水功能。选用球状Si O纳米颗粒作为纳米发电机的发电材料,将单纯由Si O纳米材料制备的纳米发电机与混合式纳米发电机进行了比较。混合纳米发电机中,利用玻璃纤维作为发电机的支撑骨架,聚偏氟化乙烯(PVDF)作为玻璃纤维和Si O纳米颗粒的粘结剂。通过调节制备工艺及制备参数,使得Si O纳米颗粒的部分表面被PVDF有效粘结,纳米颗粒部分表面暴露确保其与水相互作用产生流动电势。利用柔性海绵制备可移动供水系统,取代了笨拙的固定式水槽。该储水装置可任意弯曲,轻便小巧,可以实现同水蒸发驱动纳米发电机的一体化集成,实现发电机的可移动式自供水。这种带有柔性自储水装置的纳米发电机表现出良好的机械稳定性、柔性和电学输出能力。单个混合式纳米发电机的开路电压可达到1.5 V,短路电流可达到1.45μA,最大输出功率可达到0.45μW。作为一个应用实例,所制备的混合式纳米发电机可穿戴在模特身上,在模特运动过程中可持续为电子手表供电。该技术为水蒸发驱动的可移动式发电机的应用提供了一个有效的策略,扩大了水蒸发驱动纳米发电机对复杂工作环境的适应性。

关键词：水蒸发纳米发电机混合机械强度可穿戴

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水蒸发驱动碳化硅纳米发电机

水蒸发驱动碳化硅纳米发电机

作者：王源大连理工大学

学位级别：硕士

随着科技的迅猛发展,人们的物质生活和精神生活得到了极大的丰富,与此同时人类对能源的需求也越来越大。随之而来的是愈加严重的能源危机和环境污染,所以新能源技术的发展已被世界各国视为重中之重。虽然,太阳能、风能、水能等清洁能源... 详细信息

随着科技的迅猛发展,人们的物质生活和精神生活得到了极大的丰富,与此同时人类对能源的需求也越来越大。随之而来的是愈加严重的能源危机和环境污染,所以新能源技术的发展已被世界各国视为重中之重。虽然,太阳能、风能、水能等清洁能源技术已愈发成熟,但其投资大、受环境制约等不利因素也显而易见,于是利用周围环境中热能、人的机械能、雨滴的动能等能量来进行发电的技术成为新能源领域中的研究热点。近年来,相关研究发展十分迅速,研究人员利用纳米技术等手段已将器件开路电压由最初的几十微伏提升至1伏以上,并成功驱动电子器件。但目前的研究中一般都要用到等离子体轰击、化学基团修饰等表面改性手段来提高器件性能,这就对实验条件提出了较高的要求,同时化学改性可能对实验人员的健康和自然环境产生危害。为此本文研发了水蒸发驱动碳化硅纳米发电机,该器件价格低廉、工艺简单、制备过程对人和环境友好,且可靠性强。我们在氧化铝陶瓷衬底上制备碳化硅多孔薄膜,利用其表面的双电层,借助自然界中的热能驱动水在孔道中流动产生流动电势实现能量转换。制备过程中我们放弃传统的改性手段,仅利用水浸泡器件以活化羟基,该过程简单,安全且并未引入其它基团却可使器件的电学性能大幅提升,3.5×1.6cm的薄膜面积即可获得0.45V的开路电压和50nA的短路电流,且效果持久可维持8个月无衰减。同时,本文对电极材料选取,烧结条件等工艺流程进行了相关探索,并且系统的研究了影响器件电学性能的因素,如风速,温度等,为器件性能的提升提供了理论和实验支持。

关键词：碳化硅纳米发电机双电层流动电势水蒸发

太阳能驱动水蒸发装置中的碳基光吸收材料的研究进展

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石油化工高等学校学报 2019年第5期32卷 1-7页

作者：沙畅畅陈宇超王心妤王文举南京理工大学能源与动力工程学院

在全球水资源短缺与环境污染等严峻形势下,寻求一种清洁的获取洁净水资源的方式是必要的。太阳能作为取之不尽并且清洁无污染的能源,其应用包括光热、光电、光催化氧化等。其中,光热是能源转化效率最高的方式,而碳材料作为近年来受到重... 详细信息

在全球水资源短缺与环境污染等严峻形势下,寻求一种清洁的获取洁净水资源的方式是必要的。太阳能作为取之不尽并且清洁无污染的能源,其应用包括光热、光电、光催化氧化等。其中,光热是能源转化效率最高的方式,而碳材料作为近年来受到重视的材料,有着来源广泛、价格便宜且环境友好等诸多优点。主要综述近年国内外研究的具有良好光热效应的碳材料及其复合材料,并且总结了一些新的研究思路和可以应用于光热转换的材料。

关键词：太阳能水蒸发光热转换碳材料生物质

水蒸发驱动的层状双金属氢氧化物柔性纳米发电机

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水蒸发驱动的层状双金属氢氧化物柔性纳米发电机

作者：李沛达辽宁师范大学

学位级别：硕士

自然环境和日常生活中存在着大量潜在的浪费能源,例如环境中的热能,人体运动产生的低频机械能,雨滴下落的动能等,这些能源由于其随处可见、储量巨大、清洁环保等优点引起了全世界的关注。自然界的水蒸发是一种无处不在的现象,水在蒸发... 详细信息

自然环境和日常生活中存在着大量潜在的浪费能源,例如环境中的热能,人体运动产生的低频机械能,雨滴下落的动能等,这些能源由于其随处可见、储量巨大、清洁环保等优点引起了全世界的关注。自然界的水蒸发是一种无处不在的现象,水在蒸发过程中需要吸收环境热能,而这种吸收的热能除了引起水分蒸发外,一直没有得到有效的收集或者转化。2017年,科学家完成了利用水蒸发现象将环境中的热能转化为电能的探索性工作。他们采用纳米碳材料作为工作物质,通过润湿碳材料中水的蒸发过程,巧妙地将环境能转化为电能,并成功驱动了电子器件,为水蒸发驱动纳米发电器件的研究奠定了实验基础。这些工作中,往往需要利用有机物未完全燃烧产生的炭黑作为工作材料,同时需要采用特殊工艺对材料进行改性处理,例如高温退火和等离子体处理等,使得这种技术只适用于石英或蓝宝石等耐高温的刚性衬底,这无疑将限制该技术应用范围同时也增加了成本。为更好的实现环境热能的收集和转化,拓宽水蒸发纳米发电器件的应用范围,急需开发出一种材料和工艺技术来制备使用广泛且工艺简单的新型水蒸发发电机。本文,首次提出将层状双金属氢氧化物材料(Layered double hydroxides-LDHs)作为工作材料应用在水蒸发发电领域,制备出了一种制备工艺简单、成本低廉的水蒸发驱动的Ni/Al-LDH纳米发电机。系统研究了Ni/Al-LDH材料的结构、形貌、化学组成、表面电荷等特性。该器件以柔性的PET为衬底,以多壁碳纳米管为电极,Ni/Al-LDH薄膜为工作材料,采用简单涂刷方法将其涂刷在衬底上。单个器件(工作面积为10 cm×1.5cm),在室温无风的条件下可以产生0.7 V的开路电压(V)和1.3μA的短路电流(I),最大输出功率密度为12μWcm。该器件不仅具有简单易行的室温制作工艺和良好的柔性,而且通过简单的串并联驱动了集成电路,进一步实现了水蒸发纳米发电机的功能化应用。

关键词：水蒸发层状双金属氢氧化物柔性纳米发电机