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超强激光科学卓越创新简报

(第四百五十三期)

2023年12月11日

上海光机所在低电压驱动焦耳热界面蒸发方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部吴卫平研究员和刘丰华副研究员团队，在新型介孔碳材料实现微观界面焦耳热蒸发方面取得进展，相关研究成果以“Electrically powered artificial black body for low-voltage high-speed interfacial evaporation”为题，发表在Journal of Materials Chemistry A上。

太阳能是一种无污染、无二氧化碳排放的可再生能源，太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式。基于光热效应的界面蒸发是一项有别于传统方法的新技术，在应对全球气候问题和清洁能源高效利用等方面具有重要意义。然而，基于光热的界面蒸发技术面临蒸发速率低，且难以实现紧凑化设计等瓶颈问题，严重阻碍了其推广和应用。

研究人员在前期光热界面蒸发研究工作的基础上，采用体相导电介孔碳材料构筑了一种低成本、机械强度高的焦耳热蒸发装置，实现了低电压（1 V-9 V）驱动的高速率蒸汽产生速率（达98.7 kg m−2 h−1），其能量转换效率达到80%以上，并有望进一步提升。与基于传统80/20 CrNi电阻电热合金加热蒸发装置相比，蒸发速率与能耗发生了数量级变化。这主要是基于成型体相多孔碳材料内部丰富的分级介孔微纳结构、可调谐的化学表面特性及适宜可调的电导率等优势。由电场产生的焦耳热被限制在有限的空间内，通过介孔碳材料达到了微观限域控制效果，与碳材料内部的界面水实现了能量与蒸发的局域化匹配。该研究还研制并测试了一种低电压驱动的加热模块化装置，展示了利用太阳能电池、风能和潮汐发电等可再生能源的工业潜力和新的离网解决方案，将有助于分布式可再生绿色能源的应用拓展。

本项研究证实了多孔碳材料在焦耳热作用下的微观表界面限域蒸发性能，获得了高的蒸汽转化速率和能量转换效率，具有可集成化、多物理场协同等特点，表明具有微纳尺度结构的体相介孔碳材料及其低电压焦耳热技术，在能量限域利用、海水淡化、矿物提取及蒸馏提纯等领域的应用前景。

相关工作得到了科技部重点研发计划和中国科学院特别研究助理资助项目的支持。

原文链接

图1 基于体相多孔碳材料的微观限域界面蒸发。(a)基于光热及焦耳热原理太阳能利用实现稳定界面蒸发的概念图。体相多孔碳材料的(b，c)扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）照片，(d，e)氮气吸脱附曲线和孔径分布。(f) 通过低电压驱动产生焦耳热实现高速率界面蒸发的原理示意图。(g) 微观限域作用下的水蒸发过程和机理示意图。

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