仿生微纳结构生物质炭/掺杂氧化锡光热转换材料的构筑及其强化水蒸发机制研究
结题报告
批准号:
51872151
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
朱海涛
依托单位:
学科分类:
E0208.无机非金属能量转换与存储材料
结题年份:
2022
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
吴大雄、张灿英、孟照国、马存霖、索露露、刘雪娇、姚雅琪、李丙振
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中文摘要
化石能源危机、淡水资源匮乏及水污染加剧,使得利用太阳能光热转换材料进行水蒸发,实现海水淡化、污水治理成为研究的热点。本课题从太阳能水蒸发材料的光热转换、局域加热、水运输三个关键出发,拟采用冰晶模板/碳化法构筑具有仿生微纳结构的生物质炭/掺杂氧化锡太阳能水蒸发材料。研究冰晶模板剂、碳源、氧化锡纳米颗粒、助剂等配方因素,以及过冷度、降温速率、碳化条件等制备参数对材料组成、微纳结构(表面褶皱及孔洞、导管状孔道、纳米环纹等)的影响规律;研究材料组成、微纳结构对光热转换、局域加热、水运输的影响规律,通过实验研究与理论模拟结合,揭示光热转换、局域加热、水运输三者之间的耦合关系;研究材料组成、微纳结构与水蒸发性能的构效关系,并结合上述三者间的耦合关系,阐明仿生微纳结构生物质炭/掺杂氧化锡材料强化太阳能水蒸发的机制。该研究对新型太阳能光热水蒸发材料的设计、开发及利用具有重要的理论和实际意义。
英文摘要
As fossil energy crisis, fresh water scarcity and water pollution being more and more serious, it emerges as a research hotspot to apply solar evaporating materials in the desalination of seawater and the treatment of polluted water. This project starts from three key points including the solar-thermal conversion, localized heating and water transport in solar evaporating process. In this project, we aim to construct biomass-carbon/tin oxide solar-thermal conversion materials with bionic micro/nano structure via ice-templating/carbonization methods. The influence of formula factors including carbon source, nanoparticles and additives, as well as preparation parameters including of supercooling temperature, freezing rate and carbonization condition on the micro/nano structures of the materials is investigated. The effects of the materials composition and the micro/nano structures (surface wrinkle and pores, vessel-like micro-channels and annular nano-flakes) on the solar-thermal conversion, localized heating and water transport of the materials are studied to reveal the coupling relationship of these three key points through combination of theoretical modeling and experiment. The structure-properties relationship of the materials composition and the micro/nano structures on solar evaporation are also studied, which is then combined with the coupling relationship of the three key points to demonstrate the enhanced evaporating mechanism of the biomass-carbon/tin oxide materials with bionic micro/nano-structures. This project has important theoretical and practical significance for the design, development and utilization of new solar-thermal conversion material for water evaporating.
化石能源危机、淡水资源匮乏及水污染加剧的背景下,利用太阳能光热转换材料进行界面水蒸发,实现海水淡化、污水治理成为多领域研究的热点。本项目制备了碳化萝卜、碳化浒苔、碳化土豆、碳纤维膜、碳化报纸、炭黑/聚氨酯泡沫等系列太阳能光热转换材料,研究了材料组成、微观结构等对材料光吸收、亲水性、隔热性、水蒸发性能的影响及规律。采用冰晶模板/碳化法制备了具有仿生微纳结构的生物质炭/锑掺杂氧化锡(ATO)光热材料,研究了配方组成、冷冻工艺、碳化工艺等因素对所制备材料组成、微纳结构的影响;研究了材料组成、微观结构等对其光热转换、局域加热、水运输的影响,发现了三者间的耦合关系;阐明了仿生微纳结构生物质炭/ATO材料强化太阳能水蒸发的机制。在1个太阳辐照下,光热转换材料的水蒸发速率达到1.44 kg∙m-2∙h-1,效率达到90.38%。采用表面碳化花泥柱阵列、表面碳化杉木柱阵列构筑了高速太阳能水蒸发器件,借助COMSOL Multiphysics 模拟了阵列中的水蒸气浓度、水蒸气扩散速率、温度场分布,发现蒸发表面和阵列内水蒸气能否及时扩散是制约水蒸发的主要因素。1个太阳辐照下,风速为3.5m/s时,杉木柱阵列的蒸发速率达到13.2 kg∙m-2∙h-1。所获成果可为高效太阳能水蒸发材料和器件的设计提供指导。研究成果已在Energy、Renewable Energy、Solar Energy Materials and Solar Cells等重要期刊发表SCI收录论文12篇(其中JCR1区论文7篇,目前发表文章已被引用197次),中文核心期刊论文6篇。申请国家发明专利3项,培养硕士研究生6名。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:--
发表时间:2021
期刊:青岛科技大学学报(自然科学版)
影响因子:--
作者:李振林;马海燕;孟照国;朱海涛
通讯作者:朱海涛
DOI:--
发表时间:2022
期刊:化工新型材料
影响因子:--
作者:张灿英;张丽;赵辰;王友勋;李晨
通讯作者:李晨
Insight into the role of the channel in photothermal materials for solar interfacial water evaporation
深入了解光热材料中通道在太阳能界面水蒸发中的作用
DOI:10.1016/j.renene.2022.04.139
发表时间:2022-05
期刊:Renewable Energy
影响因子:8.7
作者:Wei Zhang;Tuo Zheng;Haiguang Zhu;Daxiong Wu;Canying Zhang;Haitao Zhu
通讯作者:Haitao Zhu
Carbonized daikon for high efficient solar steam generation
用于高效太阳能蒸汽发电的碳化萝卜
DOI:10.1016/j.solmat.2018.11.015
发表时间:2018
期刊:Solar Energy Materials and Solar Cells
影响因子:6.9
作者:Mengmeng Zhu;Jialiang Yu;Cunlin Ma;Canying Zhang;Daxiong Wu;Haitao Zhu
通讯作者:Haitao Zhu
Novel nanofluid based efficient solar vaporization systems with applications in desalination and wastewater treatment
基于新型纳米流体的高效太阳能汽化系统在海水淡化和废水处理中的应用
DOI:10.1016/j.energy.2022.123513
发表时间:2022-02
期刊:Energy
影响因子:9
作者:Zhaoguo Meng;Zhenlin Li;Yang Li;Canying Zhang;Kongxiang Wang;Wei Yu;Daxiong Wu;Haitao Zhu;Wei Li
通讯作者:Wei Li
太阳光/微波双吸收化学储热材料的构筑及其构效关系研究
  • 批准号:
    52372204
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    朱海涛
  • 依托单位:
含无机空心颗粒纳米流体的光热特性及其调控机制研究
  • 批准号:
    51172117
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    朱海涛
  • 依托单位:
微纳尺度硫化铜中空材料的调控合成及其空心效应研究
  • 批准号:
    50872061
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    33.0万元
  • 批准年份:
    2008
  • 负责人:
    朱海涛
  • 依托单位:
国内基金
海外基金