浙江农林大学沈哲红/陈浩课题组EEM：计算机模拟引导高效水蒸发器设计- 大数跨境

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浙江农林大学沈哲红/陈浩课题组EEM：计算机模拟引导高效水蒸发器设计

科学材料站

2021-10-01

导读：该工作以计算机模拟设计为指导，优选高效光吸收结构，以天然竹叶为原料，经排列、碳化、水凝胶复合，制备了集光吸收

文章信息

竹叶炭基高效太阳能界面水蒸发器的模拟引导设计

第一作者：吴倚天

通讯作者：陈浩*，沈哲红*，庞亚俊*

单位：浙江农林大学

研究背景

太阳能界面水蒸发方法通过加热水-空气界面，将热量留存在水的蒸发位置（表面），实现了极低的热损耗和极高的太阳能利用率，是一种先进的淡水生产方法。光热转化是太阳能界面水蒸发的关键步骤，亦是其限速步骤，因此提升蒸发器的光吸收效率至关重要。

然而，为提高光吸收效率，无论是拓宽材料自身吸收光谱还是构筑多级吸光结构，当前都存在成本高、制备工艺复杂等问题。因此，如何通过简单高效方法设计和制作成本低、效率高的蒸发器，是太阳能界面水蒸发走向实际应用面临的一个巨大挑战。

文章简介

基于此，浙江农林大学沈哲红、陈浩课题组在国际高水平期刊Energy & Environmental Materials（影响因子：15.122）上发表题为“Simulation-guided design of bamboo leaf-derived carbon-based high-efficiency evaporator”的研究工作。

该工作以计算机模拟设计为指导，优选高效光吸收结构，以天然竹叶为原料，经排列、碳化、水凝胶复合，制备了集光吸收、光热转化和水分输运于一体的太阳能界面水蒸发器。

制备的蒸发器吸光率高、水分传输通道合理、蒸发路径短、蒸发性能优异。这种利用计算机模拟指导的结构设计被证实可大幅提高蒸发器设计和制作的效率，对于高性能水蒸发器的研究和开发具有重要指导意义。

图1. 竹叶炭基蒸发器（PVCBL）的截面示意图、吸收光谱、以及光-汽转化效率图

文章要点

要点一：简单的制备方法、低廉的成本

该工作中的蒸发器是通过竹叶的垂直排列、碳化以及随后的聚丙烯酰胺(PAM)改性即可制成，不需要其他的组装步骤，因此易于规模化放大生产。竹叶具有易获取、可再生、低成本的特点，可大幅降低蒸发器生产成本。

要点二：独特的结构设计

一方面，通过光线追踪模拟引导设计的垂直排列的炭结构可以扩展光路，增加吸光面积，从而达到优良的光吸收效果。另一方面，聚丙烯酰胺水凝胶在垂直片状炭之间的连续分布，可以支持高速的水分输送，缩短蒸发路径。

要点三：优异的性能

得益于上述特点的综合作用，该工作报导的蒸发器具有极高的平均光吸收率（~97.0%），良好的水分蒸发率（1.75 kg m-2 h-1），以及优异的太阳能-蒸汽转化效率（91.9%）。基于该蒸发器的设备可以在完成水分蒸发的同时，同步实现海水淡化、重金属离子去除、染料分离等功能。此外，该蒸发器适用于户外并可重复利用。

文章链接

Simulation-guided design of bamboo leaf-derived carbon-based high-efficiency evaporator for solar-driven interface water evaporation

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eem2.12251

通讯作者简介

陈浩，浙江农林大学副教授。

浙江省高等学校“院士结对培养青年英才计划”、浙江省151人才工程第三层次资助培养人员，上海市优秀博士论文获得者，浙江农林大学“青年拔尖人才”。目前，主要从事生物质衍生能源材料方面的研究。目前已在Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、ACS Nano、Energy Environ. Mater.、Chem. Eng. J.等国际期刊上发表SCI收录论文30余篇。5篇论文入选ESI高被引论文，其中1篇入选2014年中国百篇最具影响国际学术论文。此外，还担任Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等国际学术期刊审稿人。

沈哲红，浙江农林大学教授。

浙江省“151”第三层次人才。目前，主要从事生物质衍生微纳米复合材料相关研究工作。近年来主持国家自然科学基金、浙江省重点研发计划、浙江省创新团队子课题、浙江省自然科学基金等多项课题。获得浙江省科学技术进步一等奖1项（2011，第三完成人）、二等奖1项（2016，第一完成人）、梁希林业科学技术三等奖1项（2016，第一完成人）。

庞亚俊浙江农林大学讲师。

工学博士，目前主要从事微纳米阵列材料在能源与环境领域应用方面的研究，目前已发表学术论文16篇，其中第一作者发表SCI论文10篇，获授权发明专利1项。

第一作者简介

吴倚天，浙江农林大学在读硕士研究生。

目前从事太阳能水蒸发材料研究，以第一作者身份在Energy & Environmental Materials期刊上发表论文1篇。

课题组介绍

https://www.x-mol.com/groups/zafu332