簡単な蒸気発生のための構造的に設計された3Dコア2DシェルSiO2@アミノカーボンハイブリッド高度な複合材料の高効率太陽電池膜

High Efficiency Solar Membranes Structurally Designed 3Dcore-2D Shell SiO2@Amino-Carbon Hybrid Advanced Composite for Facile Steam Generation.

• Xibiao Li
• Changfeng Guan
• Xiaodong Gao
• Xiahua Zuo
• Weimin Yang
• Hua Yan
• Meinong Shi
• Haoyi Li
• Mohini M Sain

抄録

世界的な淡水不足や水質汚濁の問題に対処するためには、太陽エネルギーを有効利用した蒸気発生技術が有望である。従来の光熱膜が高温・高塩分・腐食環境下で連続的に機能するための最大の難点の一つは、その機械的特性が急速に低下していることに起因している。本研究では、ポリドパミン/カーボン/シリコン（PCS）複合膜をフローティング断熱フォーム基材に担持させた高効率な太陽駆動型界面水蒸発システムを開発した。純水システムと比較して、水の気化率が3.1倍に増加した。ガラス繊維（GF）膜を基材とした低コストの直鎖状ポリエチレンを炭化させ、炭素膜をドーパミンで修飾して炭素膜上とガラス繊維内の水輸送を制御することで、表面の2次元炭素ナノ層を作製することに成功した。PCS膜は、高い光吸収率により太陽熱発電効率が高く、太陽熱変換能力に優れている。PCS膜の1太陽（1kW・m-2）の模擬太陽光照射下での蒸発率は1.39kg・m-2・h-1、太陽熱変換効率は80.4％で、GF膜、カーボン/シリコン（CS）膜、光熱膜なしの純水と比較して大幅に高い値を示した。また、1日1回の太陽光照射を模擬した20サイクル後も高い蒸発効率を維持していることがわかった。本研究は、高効率で耐久性の高い蒸発システムの設計・製作に関する重要な知見を提供するものである。KEYWORDS: シリカファイバー3Dコア, 光熱膜, 機能性カーボン2Dシェル, 水の蒸発, 太陽エネルギー.

Steam generation through efficient utilization of solar energy is a promising technology in addressing the challenge of global freshwater shortage and water pollution. One of the biggest huddles for traditional photothermal membrane to function continuously in high temperature, high salt and corrosive environment has been attributed to their rapid decline of mechanical properties. In this work, a highly efficient solar-driven interfacial water evaporation system has been developed via a polydopamine/carbon/silicon (PCS) composite membrane supported by a floating insulation foam substrate. A 3.1 times increase in the water vaporization rate was recorded over pure water system. The 2D-carbon nanolayer on the surface was successfully prepared by carbonizing low-cost linear polyethylene with glass fibers (GF) membrane as the substrate, and then modified the carbon membrane with dopamine to control water transport on the carbon coating and within the glass fiber. The PCS membrane has a high efficiency for solar steam generation owing to high optical absorption and it has excellent solar thermal conversion capability. The evaporation rate and solar thermal conversion efficiency of the PCS membrane under simulated sunlight irradiation with 1 sun (1kW·m-2) are 1.39 kg·m-2·h-1 and 80.4% respectively, which are significantly higher compared to GF membrane, carbon/silicon (CS) membrane and pure water without photothermal membrane. The water evaporation system retained high efficiency after 20 cycles under simulated sunlight irradiation of 1 sun. This study provides critical insight on design and fabrication of a highly efficient and durable evaporation system. KEYWORDS: Silica fibers 3D core, Photothermal membrane, Functional carbon 2D shell, Water evaporation, Solar energy.