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南卡羅來納大學機械工程系和大連海事大學船舶與海洋工程學院Wei Chang 和 Benli Peng等--鎳上的少層石墨烯使可持續滴狀冷凝成為可能

冷凝對于發電、蒸餾、天然氣處理、除濕和水收集以及熱管理等多種應用都是至關重要的。與工業規模系統中普遍采用的“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DWC得到了廣泛的關注，但由于涂層可靠性差，DWC對非潤濕的表面依賴性強，在實際條件下只能持續幾天。在這里，我們開發了鎳(Ni)基底上的納米結構石墨烯涂層，可以控制和增強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DWC。這與廣泛接受的DWC機制相矛盾。此外，在實際或更嚴格的測試環境下，Ni-石墨烯表面能夠實現從數天到3年的長期冷凝。

圖1. Ni-Gr表面開發示意圖及其主要應用。(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)主要工業應用的例子，從發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表面動態接觸角和靜態CA小于90°, 也就是經典潤濕模式下的親水性,(c)-(e)在Ni-Gr表面上的水蒸氣成核。大多數水滴在石墨烯晶界上成核。(f)-(h)液滴合并具有不規則邊界釘扎效應。

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出更高的增強;(c)與已有研究相比，在更寬的工作熱流范圍內，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持續了大約3年。(a)近3年來，DWC在惡劣環境下成功維持;(b)比較報道有NCG和沒有NCG的DWC在不同表面上的持續時間;(c)Ni-Gr表面可再生以恢復其冷凝性能;(d)再生后的Ni-Gr表面在6個月的耐久性試驗中表現出良好的可持續性。

圖6. Ni-Gr表面優異的耐腐蝕性能使高效DWC具有可持續性。(a)經過30天的蒸汽循環暴露后，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%。

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

轉自《石墨烯研究》公眾號



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