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南卡羅來納大學(xué)機(jī)械工程系和大連海事大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院Wei Chang 和 Benli Peng等--鎳上的少層石墨烯使可持續(xù)滴狀冷凝成為可能

冷凝對于發(fā)電、蒸餾、天然氣處理、除濕和水收集以及熱管理等多種應(yīng)用都是至關(guān)重要的。與工業(yè)規(guī)模系統(tǒng)中普遍采用的“膜狀”冷凝方式(FWC)相比，滴狀冷凝(DWC)可以提供一個更高數(shù)量級的傳熱速率，因為它大大降低了離散和可移動液滴形成的熱阻。過去，通過控制表面濕度來促進(jìn)DWC得到了廣泛的關(guān)注，但由于涂層可靠性差，DWC對非潤濕的表面依賴性強(qiáng)，在實際條件下只能持續(xù)幾天。在這里，我們開發(fā)了鎳(Ni)基底上的納米結(jié)構(gòu)石墨烯涂層，可以控制和增強(qiáng)石墨烯晶界上的水滴成核。令人驚訝的是，即使在正常的“濕潤”條件下，這也能實現(xiàn)DWC。這與廣泛接受的DWC機(jī)制相矛盾。此外，在實際或更嚴(yán)格的測試環(huán)境下，Ni-石墨烯表面能夠?qū)崿F(xiàn)從數(shù)天到3年的長期冷凝。

圖1. Ni-Gr表面開發(fā)示意圖及其主要應(yīng)用。(a) Ni-Gr表面特征示意圖;(b) Ni-Gr表面石墨烯晶界的AFM圖像;(c) Ni-Gr的透射電鏡圖像，用于估算鎳基體與石墨烯之間的間隙;(d-f)主要工業(yè)應(yīng)用的例子，從發(fā)電到大氣中的水收集。

圖2. 表征了石墨烯晶界對Ni-Gr表面的影響。(a)通過重新著色FESEM圖像突出顯示石墨烯晶界。(b)Ni-Gr表面動態(tài)接觸角和靜態(tài)CA小于90°, 也就是經(jīng)典潤濕模式下的親水性,(c)-(e)在Ni-Gr表面上的水蒸氣成核。大多數(shù)水滴在石墨烯晶界上成核。(f)-(h)液滴合并具有不規(guī)則邊界釘扎效應(yīng)。

圖3. Ni-Gr使高效DWC成為可能。(a) 熱通量隨過冷溫度的變化，其中在添加NCG和未添加NCG的Ni-Gr表面的DWG分別提高了大約2.1倍和2.7倍;(b)在沒有NCG時，DWC在更高的工作溫度下表現(xiàn)出更高的增強(qiáng);(c)與已有研究相比，在更寬的工作熱流范圍內(nèi)，Ni-Gr表面的DWC可以顯著提高。

圖4. Ni-Gr、Cu-SAM和Cu-Gr管在開環(huán)工作條件下：蒸汽溫度為~100℃、NCG濃度為3.56% ~ 6.84%、冷卻劑入口溫度為~80℃時的冷凝延時圖像。

圖5. Ni-Gr的DWC持續(xù)了大約3年。(a)近3年來，DWC在惡劣環(huán)境下成功維持;(b)比較報道有NCG和沒有NCG的DWC在不同表面上的持續(xù)時間;(c)Ni-Gr表面可再生以恢復(fù)其冷凝性能;(d)再生后的Ni-Gr表面在6個月的耐久性試驗中表現(xiàn)出良好的可持續(xù)性。

圖6. Ni-Gr表面優(yōu)異的耐腐蝕性能使高效DWC具有可持續(xù)性。(a)經(jīng)過30天的蒸汽循環(huán)暴露后，基于XPS 分析，Ni-Gr表面的Ni原子百分率小于0.1%;(b) Ni-Gr表面的腐蝕速率分別比Ni和TrGr/Ni表面的腐蝕速率低92.1%和98.5%。

相關(guān)研究成果由南卡羅來納大學(xué)機(jī)械工程系和大連海事大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院Wei Chang 和 Benli Peng等人于2021年發(fā)表在Science Bulletin (https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.06.006)上。原文：Few-layer graphene on nickel enabled sustainable dropwise condensation。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號



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