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我院仿生能源课题组在仿生能源材料及能质传递与转换交叉领域取得系列进展
作者:发布时间:2021-09-05点击量:

《科学》(Science)杂志在创刊125周年之际公布了在未来的1/4个世纪的时间内人类需要解决的125科学问题其中“新能源的利用”以及“温室效应”是最为突出的能源及环境问题,超低能耗获取淡水资源是一个关乎我国水资源与能源安全的重要研究课题。界面光热转换作为一项有利于能源可持续发展的海水淡化技术,实现它的有效环保利用离不开成本低廉的材料和良好的吸光性能及高光热转换效率。大自然作为一位灵巧智慧的设计师,生物体系可以利用简单有限的生物材料,高效制备和组装复杂的生物个体,科学家虽然能制造复杂的化学和物理单元,而让这些单元自发装配成高度复杂集成的个体结构仍是梦想。自然界长期进化形成的材料、组装、界面及演变等诸多方面都为人类的研究提供了借鉴意义,基于仿生的研究成果的优异性也表明了向大自然学习是解决诸多问题的可行路径。

有鉴于此,我院“金沙3983-新加坡国立大学新能源材料与器件联合实验室”(柔性可再生能源材料与器件研究团队)李猛课题组在仿生能源材料及能质传递与转换交叉领域开展了一系列研究工作,例如:通过对黑色蝴蝶翅膀表面的微纳结构进行研究,课题组发现该黑色蝴蝶翅膀鳞片表面充满了周期性的脊阵列结构,将其结构与高效吸收太阳光之间进行联系并展开研究其中的机理,运用仿生策略制备了一种具有陷光微纳结构的太阳能光热转换膜,将其应用于环境友好、低成本的界面太阳能水蒸发系统。同时受植物根细胞选择性离子通道的启发,借助离子通道设计对提高膜隔盐性能也进行了研究。该膜材料具有优异的蒸发率(1.33 kg m-2 h-1)和光热转换效率(~85.2%),并且在海水中重复使用40次后仍能维持81.4%的效率。本工作采用学科交叉的研究思路,利用数值计算和实验等方法探究了仿生微纳结构设计对膜表面光热转换的影响机理,从微纳结构设计角度为进一步提高膜类太阳能光热转换材料性能提供了新思路。该研究近期以题为“A bio-inspired nanocomposite membrane with improved light-trapping and salt-rejecting performance for solar-driven interfacial evaporation applications”的论文发表在国际知名期刊《Nano Energy》,第一作者为我院硕士研究生应佩晋。

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此外在植物仿生方面,一些弱光植物进化出自相似的分形结构,通过它们的分形结构高效利用太阳能进行光合作用。而西南地区多有的废弃生物质柚子皮中固有的微观多孔结构引起了团队研究人员的注意,柚子皮内部的分级多孔结构非常适合作为基底制备分形结构。于是课题组制备了一种基于仿生分形结构设计的新型生物质衍生太阳能光热转换材料,并将其应用于环境友好、低成本的界面太阳能水蒸发系统。除此之外,作者又将实验方法和数值方法相结合,探究了仿生分形结构对材料表面热质传递的影响机制。该材料光热具有极高的太阳光谱吸收率(~98%),优异的蒸发率(1.95 kg m-2 h-1)和显著的光热转换效率(~92.4%)。该成果以题为“Bioinspired Fractal Design of Waste Biomass Derived Solar-thermal Materials for Highly Efficient Solar Evaporation”的论文发表在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》,并被选为封面论文,第一作者为我院硕士研究生耿阳。

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同时,课题组还研究了半导体光热转换材料带隙与光热性能之间的内在联系和规律,探究了界面光热蒸汽发生系统中一维水通道的水输运与蒸发速率之间的定量关系,为后续工作中精确控制水输运提高蒸发速率提供理论依据。相关成果发表在《Carbon》及《ACS applied materials & interfaces》。基于以上系列工作,课题组在国产领军期刊 Nano Research 上撰写仿生能源材料在光热海水淡化领域的应用邀请综述,近期将在线发表。近日,课题组在此方向获批2021年国家自然基金面上项目“光热蒸发仿生结构材料能质传递与转换协同原理及耦合装置构建方法”支持,申请相关专利2件。课题组在该研究方向开展本科生科研训练项目,2019金沙3983节能减排大赛《新型光热转换材料及器件在海水淡化中的应用》获三等奖;大学生创新训练项目、国创/市创3项,其中1项结题优秀。此外,该组同时开展了水系仿生储能电极上的研究课题,有望以“向自然学习”的思路助力水系储能器件的低能量密度问题。

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【原文及相关工作链接】

仿生黑色蝴蝶翅膀微纳结构增强光热海水淡化:

(原文链接)

(新闻链接)


仿生分形结构设计助力生物质源高效界面太阳能水蒸发:

(原文链接)

(新闻链接)

界面太阳能水蒸发系统中的多级碳网络构建及系统水输运的定量分析:

(原文链接)

(新闻链接)


半导体光热转换材料与器件的带隙工程研究:

(原文链接)






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