【研究背景】
太阳能驱动界面水蒸发技术利用光热效应吸收太阳能，实现高效海水淡化，具有高效率、低成本和节能环保等优点，应用前景广泛。在太阳能界面水蒸发基础上，可制成新型同步蒸发温差发电系统（IWETPGS），同时实现海水淡化和电能输出，进一步提高太阳能利用效率。然而，目前同步蒸发温差发电系统光热结构普遍为二维结构，光热材料单一，光热转换效率有限，且光热结构内部输水通道毛细压力有限，难以满足自发供水需求。因此，同时考虑光热管理和水输运，提出水热平衡的新型光热结构对于提升同步蒸发温差发电系统的海水淡化和产电性能至关重要。
为此，哈尔滨工业大学（深圳）邓大祥教授课题组从提高光热转换能力和水输运角度出发，研制了一种基于CuS-rGO复合材料的多尺度金字塔光热结构，以期提升同步蒸发温差发电系统水蒸发速率和发电效率。该新型多尺度金字塔光热结构，包括毫米尺度的三维金字塔阵列结构、微尺度的梯度多孔铜泡沫、微/纳尺度CuS纳米线和还原氧化石墨烯（rGO）复合光热材料。其中金字塔阵列结构可以促进光线的多次反射和吸收，同时具有更大的蒸发面积；CuS-rGO复合光热材料具有rGO的宽光谱吸收能力和CuS的适中的带隙能级、高光吸收特性的优点，展现了超高的光热转换效率；梯度多孔金属泡沫结构加快了水输运，顶部的小孔隙提供了更大的毛细压力保证海水的输运高度和持续供应能力；底部的大孔隙降低了海水的流动阻力，保证了海水的供应量以及促进盐分的自迁移溶解。此外，将多尺度光热结构与温差发电片（TEG）结合，实现同步蒸发和温差发电；并利用高效微通道强化温差发电片冷端散热能力，实现高效热管理，显著提升了发电性能。
相关内容以“Multi-scale CuS-rGO pyramidal photothermal structure for Highly Efficient Solar-Driven Water Evaporation and Thermoelectric Power Generation”为题在国际能源领域著名期刊《Nano Energy》(中科院一区TOP，IF= 17.6) 上发表。文章唯一通讯作者为哈尔滨工业大学（深圳）邓大祥教授，第一作者为哈尔滨工业大学（深圳）/新加坡南洋理工大学联合培养博士生曾龙。
【图文速览】
图1基于多尺度CuS-rGO金字塔光热结构的同步蒸发温差发电系统示意图。该三维金字塔结构由微尺度梯度多孔铜泡沫和微/纳米尺度CuS-rGO复合材料组成。其中，三维金字塔促进了光的捕获和吸收，梯度多孔金属泡沫加速了水输运。微纳米尺度的CuS-rGO复合光热材料结合了rGO碳材料的宽光谱吸收能力和CuS半导体材料适中的带隙能级、高光吸收特性。
图2 CuS-rGO复合光热材料的制备与表征：a)CuS-rGO复合光热材料的制备示意图；b)CuS-rGO复合光热材料扫描电镜图；c)CuS纳米线和rGO的TEM图；d)GO和rGO的拉曼图谱图；e)GO和rGO的傅立叶变换红外图谱；f)CF、rGO/CF、CuS/CF、CuS-rGO/CF的XRD图谱。
图3多尺度CuS-rGO金字塔光热结构的光热转换性能。a)CF、rGO/CF、CuS/CF、CuS-rGO/CF光热材料的透射率和反射率；b)CF和CuS-rGO/CF光热材料的光反射和透射示意图；c)CF、rGO/CF、CuS/CF、CuS-rGO/CF光热材料的吸收率；d)CF、rGO/CF、CuS/CF、CuS-rGO/CF光热材料在光热转换过程中的温度变化；e)CuS-rGO/CF复合光热材料的光热转换机理示意图。
图4多尺度CuS-rGO金字塔光热结构的太阳能水蒸发性能。a)CuS-rGO金字塔光热结构的光热水蒸发过程示意图；b)CF和CuS-rGO/CF金字塔光热结构蒸发过程的温度分布仿真结果；c)基于不同光热材料的8×8阵列金字塔光热结构在一个光强下的水蒸发量；d)不同金字塔阵列的CuS-rGO光热结构在一个光强下的水蒸发量；e)不同金字塔阵列（平面、4×4阵列、6×6阵列和8×8阵列）的CuS-rGO光热结构的光捕获示意图，"N"表示反射次数；f)光照1小时后不同金字塔阵列的CuS-rGO光热结构的温度分布；g)不同孔分布的CuS-rGO金字塔光热结构在一个光强下的水蒸发量；h)在1-4个光强下CuS-rGO金字塔光热结构的蒸发率；i)CuS-rGO金字塔光热结构的循环蒸发性能。
图5多尺度CuS-rGO金字塔光热结构的热发电性能。a)1-4个标准太阳光强下温差发电片两端温度差随时间变化情况；b)1-4个标准太阳光强下温差发电片输出功率随时间变化情况；c)不同冷却方式下同步蒸发温差发电系统（IWETPGS）的示意图；d)翅片冷却和微通道冷却下IWETPGS的输出功率对比；e)不同太阳光强和冷却水温度下同步蒸发温差发电系统的最大输出功率；f)IWETPGS驱动风扇的旋转；g)1个和4个标准太阳光强下IWETPGS温差稳定性能；h) 1个和4个标准太阳光强下IWETPGS输出功率的稳定性能；i)CuS-rGO金字塔光热结构与近年来报道=其他光热结构的的水蒸发率和输出功率对比。
图6太阳能驱动水电联产室外实验。a)室外太阳能驱动水电联产实验装置照片；b)一天内太阳辐照度、空气湿度和空气温度的变化情况；c)系统输出功率、电流和电压的变化；d)蒸发前海水和蒸发后淡水离子浓度的变化。
【文章总结】