客观日本

开发高性能水蒸气发生材料—东北大学研究小组

2015年07月31日 化学材料

此前,日本东北大学原子分子材料科学高等研究机构,由伊藤良一助教授与陈明伟教授等人组成的研究小组经过研究,开发出通过吸收太阳光使水高效蒸发成为水蒸气的3D纳米多孔石墨烯。使用该石墨烯可高效将太阳能转变为热能。研究小组认为:“利用此种材料将太阳能转换成热能将有望应用于海水淡化、污水的浓缩和净化处理等领域中。”

3D纳米多孔石墨烯是一种海绵状结构的物质,内部有纳米级(10亿分之1)细孔呈不规则连接。即使不借助透镜等聚光,也能高效吸收太阳光,并能以所吸收的热对细孔内的水分进行局部加热,凭借这点,该材料有望成为高效利用太阳能的水蒸气发生材料。

该小组着眼于比热(注)低,无腐蚀性、因此不存在废弃物処理问题的碳元素。开发了仅含碳元素的多孔纳米石墨烯材料。然而,仅含有碳元素的石墨烯为疏水性,效率很低,因此,该小组将部分碳原子置換为氮原子,开发出了亲水性的石墨烯。

对于疏水性和亲水性的石墨烯,研究小组进行了用强度为1000W/㎡的模拟太阳光照射使水蒸发的实验。结果显示,疏水性的石墨烯温度难以上升,而亲水性的石墨烯5分钟内达到100℃,水的蒸发速度每1㎡为1.5kg/h。利用太阳能发生水蒸气的效率,亲水性石墨烯较仅含碳元素的疎水性石墨烯高24%,达到80%,是世界最高水准。

研究证实,亲水性的石墨烯温度之所以快速上升,是由于在置换氮原子时,石墨烯结构被破坏,之前所具有的良好热传导性能部分消失,热能难以分散,使得局部升温效率上升。

该小组将对已开发的石墨烯进行大批量生产的方法进一步研究。

(注)比热=单位质量物体每上升1度时需要的热能。所有原子中,碳素原子的比热最低。因此,使用碳材料,加热器自身升温所要能量能保持最低限度,可以更高效地将水加热。

开发高性能水蒸气发生材料—东北大学研究小组

模拟太阳光照射下纳米多孔质石墨烯水蒸气产生能力(左图为水的蒸发速度,右图为水的温度变化)

新闻稿URL
http://www.jst.go.jp/pr/announce/20150617/index.html

文/CRCC编辑部 图片/转自新闻稿