【Carbon Neutrality论文荐读】沈少华教授团队：表面亲-疏水调控强化界面热质传递实现高效太阳能水蒸发

近日，西安交通大学沈少华教授课题组在Carbon Neutrality上发表了Cu基核壳结构太阳能光热水蒸发的最新研究进展。基于水热碳化法，构筑了具有表面亲水改性的Cu@C核壳结构，强化了固-液界面热传递过程，提高了热-蒸汽转换能力，实现了高效的光热水蒸发性能。

文章亮点

1. 本文基于水热碳化法，成功制备具有亲水表面的Cu@C核壳结构；

2. 理论计算与实验验证揭示了C壳包覆可实现Cu核表面润湿性调控，由此引起的表面疏水-亲水转变可强化界面热质传递，从而提高热-蒸汽转换效率；

3. Cu@C核壳结构组成的光热蒸发膜的太阳能光热界面水蒸发效率高达94.6% (1个标准太阳光谱) 。

内容简介

太阳能光热界面水蒸发（SISG）作为一种清洁能源高效转化与利用技术，对于缓解我国淡水资源分布不均难题，改变我国能源结构，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，进而实现“双碳”目标具有重要意义。本研究基于高效、稳定、具有宽光谱吸收的太阳能光热材料—Cu@C核壳结构的构筑及其表面亲疏水调控，强化界面热质传递，获得高效光热水蒸发性能，从而实现太阳能宽光谱高效光热转换与利用。

图文导读

本文采用液相还原法结合葡萄糖水热碳化制备了Cu@C核壳结构，并通过改变Cu纳米颗粒（NPs）的投入量，实现了不同厚度C层的包覆。透射电镜图证明了Cu@C核壳结构的成功构筑，其中Cu核直径分布范围为80-100 nm，C壳厚度分别为8 nm、25 nm、80 nm。元素分布图显示Cu元素集中在内部中心区域，而C元素主要环绕分布在外侧呈空心状，且Cu核与C壳存在明显的内外分布区域及界限，进一步证明了Cu@C核壳结构的成功制备。

图1. Cu@C核壳结构的合成示意、形貌及元素分布

X射线衍射谱证实Cu核为单质铜，包覆C壳为无定形碳。紫外-可见-近红外吸收光谱仪观测到Cu@C核壳结构在太阳宽光谱范围内都具有良好的光吸收，尤其在红外波长区域（λ > 750 nm）实现了全覆盖吸收。其中，Cu NPs在红外波长区域的光吸收最强，并随着C层的包覆及厚度的增加而减弱。理论模拟计算单个Cu NPs与Cu@C核壳结构的电场强度分布图表明，Cu NPs的局域电场强度最高，随着C壳包覆及厚度的增加，Cu@C核壳结构表面的局域电场强度明显减弱，与前述光吸收性能随之减弱的变化趋势一致，说明C壳包覆与厚度的增加削弱了Cu核的局域表面等离激元共振效应（LSPR）从而导致Cu@C核壳的光吸收性能降低。对比不同C壳厚度的Cu@C核壳结构，Cu-C界面的局域电场强度随C壳增厚而明显增大，可能原因是Cu核表面LSPR效应引起共振的光子在Cu-C界面产生多次折射或散射。并且，随着C壳的增厚，共振光子的透射减弱，从而使得折射或散射作用增强，并在Cu@C-80核壳结构的Cu-C界面呈现出最为显著的局域电场强度分布。

图2. Cu NPs与Cu@C核壳结构的化学组成、光吸收特性及电场强度分布模拟

太阳能光热界面水蒸发（SISG）装置主要由盛水烧杯、圆柱形吸水海绵及蒸发膜组成。其中Cu、Cu@C蒸发膜通过在Whatman玻璃纤维滤纸表面分别滴覆Cu NPs与Cu@C核壳结构均质浓浆并自然干燥而成。扫描电镜截面图显示，Cu NPs与Cu@C NPs集中堆叠在玻璃纤维滤纸表面，形成厚度为400 um左右且表面平整的蒸发膜。其中玻璃纤维结构相互交错，形成了大量空隙与孔道，使其具有极强的毛细力，保证了水分的传输。与Cu NPs全部集中堆叠在滤纸表面不同的是，少量Cu@C核壳结构渗漏到滤纸底部，说明Cu@C核壳结构因C壳的亲水性使其在滴覆成膜时相对疏水Cu NPs更易被滤纸的毛细力影响，随溶液浸吸到纸内。表面润湿性能测试证明，Cu蒸发膜呈超疏水特性，其表面接触角为154.89°，并具有明显的“荷叶效应”；而Cu@C蒸发膜展现出良好的润湿性，且润湿特性随C壳增厚而降低，说明亲水C层的包覆实现了疏水Cu核表面的润湿性调控，但C壳增厚不利于水的传输。

图3. 光热界面蒸发装置示意图和Cu、Cu@C蒸发膜截面形貌及表面润湿性

得益于Cu核的LSPR效应，所有蒸发膜展现出优异的光热转换性能。C壳对LSPR效应的削弱作用使得Cu@C蒸发膜的光热转换性能整体略低于Cu蒸发膜，并随C壳增厚而降低。然而，Cu@C蒸发膜的SISG效率远高于Cu蒸发膜，最高为94.6%（Cu@C-8），处于Cu基光热材料的最高水平，甚至超越了绝大多数贵金属纳米光热材料。这说明蒸发膜的光热转换过程并非决定水蒸发性能的唯一因素，还包括受蒸发膜表面亲疏水特性以及输水性能影响的热-蒸汽转换过程。对于展现出同样亲水特性的Cu@C蒸发膜，C壳增厚使得Cu-C界面热阻增大，削弱了固-液界面的热传导速率，降低了导热量，从而使得Cu@C蒸发膜的SISG效率随着C壳增厚而降低。尽管如此，Cu@C蒸发膜的SISG效率整体高于Cu蒸发膜，说明相较于C壳增厚对固-液界面热传导速率的削弱，Cu核表面超疏水特性对蒸发膜的热-蒸汽转换过程的限制作用更为明显。由此说明超疏水Cu NPs的表面亲水改性对热-蒸汽转换过程的改善具有重要贡献。

图4. Cu、Cu@C蒸发膜光热转换性能测试与模拟验证，以及光热水蒸发性能测试与对比

本文进一步对蒸发膜的热-蒸汽转换过程进行探究，推测了C壳包覆导致的蒸发膜疏水-亲水转变强化固-液界面热传递机制。固-液界面的热传递方式以热传导为主，且导热量与该界面面积呈正相关。而超疏水Cu蒸发膜的固-液接触面积极小，阻碍了界面的热传递过程。当Cu核表面被超亲水C壳包覆后，Cu@C蒸发膜的亲水特性使得液体在其表面铺展浸润，从而增大了固-液接触面积增大，强化了固-液界面热传导。此外，对于热-蒸汽转换过程，蒸发膜表面亲疏水特性除了直接影响固-液界面的热传递外，还可间接通过传输水性能的差异引起蒸发膜内含水量变化，导致SISG蒸发域的不同热传递过程。因此本文提出了三种不同含水状态下蒸发膜所处蒸发域的热传递计算方式，即含水量为零时的干燥蒸发膜、蒸发膜输水速度小于水蒸发速率时形成不饱和含水状态（不饱和蒸发膜）、蒸发膜输水速度满足水蒸发速率时形成饱和含水状态（饱和蒸发膜）。

图5. Cu、Cu@C蒸发膜光热转换性能测试与模拟验证，以及光热水蒸发性能测试与对比

对比Cu、Cu@C蒸发膜在水蒸发测试前后含水量的变化可知，Cu@C-8、Cu@C-25蒸发膜的含水量几乎未发生变化，可对应饱和蒸发膜所处蒸发域的热传递过程；Cu@C-80蒸发膜含水量变化明显，符合不饱和蒸发膜所处蒸发域的热传递过程；尽管Cu蒸发膜的含水量几乎不变，但其数值却远低于Cu@C蒸发膜，证明了Cu蒸发膜表面的超疏水性限制了水分从膜下表面浸润到上表面，从而使得上表面并未被水浸润，因此适用于不饱和蒸发膜所处蒸发域的热传递过程。

基于各蒸发域内热传递过程计算结果分析可知，Cu蒸发膜的光热转换热通量与热损失通量最高；Cu@C蒸发膜的光热转换热通量整体低于Cu蒸发膜，且热损失通量随C壳增厚而降低，但整体仍低于Cu蒸发膜，说明热-蒸汽转换过程中的热损失是影响蒸发膜SISG性能的主要因素。

能量转换效率计算结果显示，所有热-蒸汽转换效率都高于60%，说明该SISG装置可将光热转换能量充分用于水的蒸发。SISG效率与热-蒸汽转换效率保持高度一致的变化趋势说明，当蒸发膜的光热转换性能相差不大时（<10%），热-蒸汽转换性能对蒸发膜的光热水蒸发性能起决定作用。并且，Cu蒸发膜的热损失比值占据光热转换热量的38.6%，说明Cu NPs表面的超疏水特性降低了固-液界面热传递的同时，还阻碍了蒸发膜中水分快速运输至其表面，使得大量的光热转换能量被空气自然对流所耗散。当Cu NPs被C壳包覆后，热损失占比显著降至0.6%（Cu@C-8），因为超亲水Cu@C表面增大固-液界面热传递面积的同时，极大提升了水分向表面的传输速率，从而充分利用了表面的光热转换能量转换为水蒸气。然而，随着C壳的增厚，热损失占比逐渐回升，特别是C壳增厚到80 nm时，Cu@C-80蒸发膜的热损失占比高达23.6%，其原因是C壳的增厚会增加固-液界面热阻从而减缓其间热传递速率，也会增大C壳的毛细阻力从而减缓水在蒸发膜中的输送。

上述结果充分表明，蒸发膜的光热转换与热-蒸汽转换过程共同决定了光热水蒸发性能。尽管C壳的包覆及增厚会削弱Cu@C蒸发膜的光吸收及光热转换性能，但C壳的包覆赋予了Cu@C蒸发膜的超亲水特性，使其具备优异的输水能力及固-液界面传热强化特性，从而使得该蒸发膜展现出优异的SISG效率。然而，进一步增大C壳的厚度将导致固-液界面热传递速率降低及输水能力减弱，从而降低热-蒸汽转换效率，使得SISG效率随之降低。因此，必须精细地控制C壳的厚度，从而对蒸发膜的热传递过程进行精准调控，以实现高效的光热水蒸发性能。

图6. Cu、Cu@C蒸发膜在光热水蒸发测试前后含水量变化、光热水蒸发测试过程中稳态传热状态下的热通量及能量转换效率

总结展望

在我国“富煤、贫油、少气”、太阳能资源丰富的能源禀赋特征及国家“双碳”战略背景下，发展太阳能的宽光谱高效转换与利用技术是实现我国能源结构优化的一条重要途径。本文采用葡萄糖水热碳化法对Cu NPs的超疏水表面进行亲水C壳包覆，成功制备了超亲水Cu@C核壳结构，其所构筑的Cu@C蒸发膜的SISG效率高达94.6%，处于Cu基光热材料的最高水平，甚至超越了绝大多数贵金属纳米光热材料。通过理论计算与实验验证，Cu@C核壳结构对SISG性能的提升机制主要归结为：（1）Cu核的LSPR效应可实现太阳能的宽光谱吸收及高效的光热转换性能；（2）亲水C壳的包覆赋予了Cu@C核壳结构表面超亲水特性，使得水在蒸发界面充分浸润铺展，保证高效传输水的同时极大地拓展了固-液界面热传导面积，增大了界面导热量，从而提高了热-蒸汽转换效率；（3）超亲水Cu@C核壳结构通过毛细浸润作用促使水分快速输送至蒸发膜表面，有效利用了蒸发膜表面的热量，减少了热损失，获得了高效的光热界面水蒸发。该研究实现了太阳能的宽光谱高效转换与利用，为我国如期实现“双碳”目标、构建稳固的低碳能源体系提供理论基础和技术路径。

原文信息

Surface hydrophobicity-hydrophilicity switching induced interface heat and water transfer enhancement for high-efficiency solar steam generation

作者：

Yubo Tan, Hui Jin, Samuel S. Mao and Shaohua Shen*

https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-023-00051-x

DOI:

https://doi.org/10.1007/s43979-023-00051-x

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通讯作者介绍

沈少华，教授，西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室副主任，国家杰出青年科学基金获得者。

研究领域

主要从事太阳能光电催化能源转化研究。

个人简介

沈少华，西安交通大学教授、博导，动力工程多相流国家重点实验室副主任，国家杰出青年科学基金获得者。博士毕业于西安交通大学，美国加州大学伯克利分校博士后，从事太阳能光电催化能源转化研究。学位论文获“全国百篇优秀博士学位论文”，入选中组部“万人计划”青年拔尖人才和教育部“青年长江”；获中国青年科技奖、国家自然科学二等奖、中国可再生能源学会技术发明一等奖、陕西省科学技术一等奖、陕西省教学教育成果特等奖、Nano Research Young Innovator Award等奖励。以一作/通讯作者在Nature Energy, Adv Mater等期刊发表SCI论文120余篇，他引13000余次。兼任中国工程热物理学会多相流分会副主任、可再生能源学会氢能专委会副秘书长、可再生能源学会青年工作委员会秘书长等学会职务，担任Science Bulletin、Chinese Chemical Letters、Battery Energy、Carbon Neutrality、《物理化学学报》、《太阳能学报》等期刊编委。

联系方式

E-mail: shshen_xjtu@mail.xjtu.edu.cn

图文来源：原文作者

编辑：Carbon Neutrality编辑部

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