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【研究背景】
太阳能驱动的水电联产（WEC）成为解决全球淡水和能源短缺的可行解决方案。基于相变材料（PCM）的WEC系统已被提出用于解决间歇性太阳辐射问题。然而，WEC性能显著下降，导致在黑暗中的运行时间有限。该研究提出了一种定向导热PCM的新概念来解决上述挑战。通过精确调节铜基底的亲水性/疏水性分布，有效地调节了氮化硼基相变材料的结构无序，实现了定向热传输。这些定向导热PCM表现出250.4 J g−1的高相变焓和3.24的大导热各向异性指数，这改善了PCM与光热/热电之间的热交换，同时最大限度地减少了横向散热。因此，基于定向导热PCM的WEC实现了2.51 kg m−2 h−1的蒸发率，在1个太阳下的功率输出为1759.7 mW m−1，是最新研究中报告的最佳性能之一。更令人印象深刻的是，其蒸发率仍达到0.93 kg m−2 h−1，功率输出高达411.0 mW m−3，夜间运行时间延长90分钟，大大超过了之前报道的具有无方向导热设计的设备。最后，证明了一种全疏水PVDF膜可以提高WEC系统的防污性能，延长其使用寿命。
目前，该文以“Directional-Thermal-Conductive Phase Change Composites Enabling Efficient and Durable Water-Electricity Co-Generation Beyond Daytime”为题在《Advanced Energy Materials》（JCR: Q1, Top, IF2023=24.4）上发表。文章通讯作者为浙江大学薄拯教授和美国德克萨斯州达拉斯分校Guoping Xiong教授。
【文章解读】
图1. 基于定向导热PCM的WEC系统的新概念。（a） 将我们的工作与传统研究进行比较，以说明定向导热PCM的优势。（b） 我们的WEC系统的设计原则包括三个部分：I）顶部太阳能热层，底部沉积太阳能吸收器，以减少辐射和对流热损失；II） 全疏水PVDF膜包裹TE模块，使其远离水和油；III） 具有可控结构无序的BNPC，实现定向热传输，最大限度地减少对环境的热损失。
图2. CuO@hydrogel能够有效地吸收光并减少热损失。a）的太阳能吸收能力CuO@Hb）CNT@H处于湿态和干态。c） 顶部视图和底部视图光学照片CuO@H以及CNT@H.d）纵向温度分布的红外热图像CuO@He）CNT@H1太阳下。
图3. 精确调节铜基材的亲水性/疏水性分布，以控制BNPC的结构紊乱和取向。a） BNPC制造工艺示意图。b） 设计具有四种不同亲水性和疏水性分布的铜基板。c） 侧视图和d）生长在不同铜基板上的BNPC的俯视SEM图像。虚线表示结构的方向。
图4. 定向导热PCM可实现卓越的蒸发性能。a） 不同BNPC的SDID系统的蒸发率。DSC结果描述了不同BNPC在b）加热和c）冷却过程中的相变焓。d） BNPC理想传热路径示意图（红色箭头表示理想传热方向，蓝色箭头表示非理想横向传热方向）。e） 不同BNPC的纵向和横向热导率。f） 不同BNPC的热导率各向异性指数（λ┴/λǁ）。
图5. 全疏水PVDF膜使基于BNPC的WEC系统具有较长的循环寿命。a）没有和b）有全疏水PVDF膜的WEC系统的照片。c） 紧紧包裹BNPC的全疏水PVDF膜的正视图和侧视图。d） 测试前后，WEC系统中未使用全疏水PVDF膜的BNPC的图像。e） 测试前后，带有全疏水PVDF膜的WEC系统中BNPC的图像。WEC系统的循环性能f）没有和g）有全疏水PVDF膜。h） 在测试过程中，BNPC III在包裹和不包裹全疏水PVDF膜的情况下的质量变化曲线。
【文章总结】
该文基于相变材料（PCM）的WEC系统已被提出用于解决间歇性太阳辐射问题。然而，WEC性能显著下降，导致在黑暗中的运行时间有限。该研究提出了一种定向导热PCM的新概念来解决上述挑战。通过精确调节铜基底的亲水性/疏水性分布，有效地调节了氮化硼基相变材料的结构无序，实现了定向热传输。这些定向导热PCM表现出250.4 J g−1的高相变焓和3.24的大导热各向异性指数，这改善了PCM与光热/热电之间的热交换，同时最大限度地减少了横向散热。因此，基于定向导热PCM的WEC实现了2.51 kg m−2 h−1的蒸发率，在1个太阳下的功率输出为1759.7 mW m−1，是最新研究中报告的最佳性能之一。更令人印象深刻的是，其蒸发率仍达到0.93 kg m−2 h−1，功率输出高达411.0 mW m−3，夜间运行时间延长90分钟，大大超过了之前报道的具有无方向导热设计的设备。最后，证明了一种全疏水PVDF膜可以提高WEC系统的防污性能，延长其使用寿命。
【文献来源】
https://doi.org/10.1002/aenm.202402926
编辑 | 杨梦曦
审核 | 王 璟
宣传 | 谢蕴秋
来源丨光热视界蒸发
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