《PNAS》和《Advanced Materials》刊登我院朱嘉教授研究组最新进展

我院朱嘉教授研究组,在太阳能光热转换方面取得新进展,近期以《Graphene oxide-based efficient and scalable solar desalination under one sun with a confined 2D water path》和《Tailoring graphene oxide based aerogels for efficient solar steam generation under one sun》为题分别发表在PNASDOI:10.1073/pnas.1613031113)和 Advanced materials  (DOI:10.1002/adma.201604031) 上。现代工程与应用科学学院博士生李秀强与助理研究员胡晓珍分别为论文的第一作者,朱嘉教授是论文的通讯作者,这一系列工作得到了南京大学祝世宁院士的指导与支持。

高效的太阳能转换与利用被视为满足国家能源重大需求的重要组成部分。其中光-热(蒸汽)的转换在水处理、分馏、灭菌等领域展现出很好的前景。然而由于光学与热学损耗,传统的光热-蒸汽转换效率较低(40%),很大程度上限制了其广泛应用。朱嘉课题组之前结合三维多孔结构与金属颗粒自组装,成功地实现了最黑等离激元吸收体的制备(Science Advances, 2, e1501227 (2016))与基于等离激元增强效应的太阳能海水 (Nature Photonics,10,393-398(2016)) ,从而很大程度上解决了光学损耗问题。而最新的这两个工作通过二维材料结构与热学性质的调控着力解决光-蒸汽转换过程中的热学传导损耗问题。

  1. 1)发表在PNAS的工作,选用氧化石墨烯薄膜(吸收率大于94%)作为吸收体(如图1所示),在结构上充分利用二维材料层间热导率低的特性,同时使吸收体和水体间接接触,通过二维水传输通道同时达到有效水供应与极低的热传导损耗(如图2所示),从而在无需外界聚焦条件下,获得了~80%的光-蒸汽转换效率。同时氧化石墨烯薄膜可折叠,为便携式、高效、低成本的太阳能海水淡化技术的发展迈进一步。

  2. 2)发表在Advanced Materials的工作,则选用基于还原氧化石墨烯的气凝胶,通过加入碳纳米管与海藻酸钠来调控光学吸收与亲水性(如图3所示)。气凝胶因其极低的热导率可以有效压制吸收体的热传导损失。最终在无需聚焦条件下,同样能获得~80%的光-蒸汽转换效率。

朱嘉教授研究组近年来围绕基于微纳结构的高效光热转换的研究,取得连续进展, 已引起学界、产业界的广泛关注。 这一系列研究得到了国家重点基础研究计划(973),国家自然科学基金委群体及面上项目,中央高校基本科研业务费专项基金,江苏省优势学科等项目的支持。

1. (A) 氧化石墨烯折叠后的光学照片,(B) 氧化石墨烯薄膜折叠50次后的光学照片。

2. (A) 传统的光热-蒸汽转换装置示意图,(B) 拥有二维水通道的氧化石墨烯基光热-蒸汽转换装置示意图。

3. 氧化石墨烯基气凝胶的制备流程图。