南卡罗来纳大学和大连海事大学Wei Chang 和Benli Peng等–镍上的少层石墨烯使可持续滴状冷凝成为可能

冷凝对于发电、蒸馏、天然气处理、除湿和水收集以及热管理等多种应用都是至关重要的。与工业规模系统中普遍采用的“膜状”冷凝方式(FWC)相比，滴状冷凝(DWC)可以提供一个更高数量级的传热速率，因为它大大降低了离散和可移动液滴形成的热阻。过去，通过控制表面湿度来促进DWC得到了广泛的关注，但由于涂层可靠性差，DWC对非润湿的表面依赖性强，在实际条件下只能持续几天。在这里，我们开发了镍(Ni)基底上的纳米结构石墨烯涂层，可以控制和增强石墨烯晶界上的水滴成核。令人惊讶的是，即使在正常的“湿润”条件下，这也能实现DWC。这与广泛接受的DWC机制相矛盾。此外，在实际或更严格的测试环境下，Ni-石墨烯表面能够实现从数天到3年的长期冷凝。

图1. Ni-Gr表面开发示意图及其主要应用。(a) Ni-Gr表面特征示意图;(b) Ni-Gr表面石墨烯晶界的AFM图像;(c) Ni-Gr的透射电镜图像，用于估算镍基体与石墨烯之间的间隙;(d-f)主要工业应用的例子，从发电到大气中的水收集。

图2. 表征了石墨烯晶界对Ni-Gr表面的影响。(a)通过重新着色FESEM图像突出显示石墨烯晶界。(b)Ni-Gr表面动态接触角和静态CA小于90°, 也就是经典润湿模式下的亲水性,(c)-(e)在Ni-Gr表面上的水蒸气成核。大多数水滴在石墨烯晶界上成核。(f)-(h)液滴合并具有不规则边界钉扎效应。

图3. Ni-Gr使高效DWC成为可能。(a) 热通量随过冷温度的变化，其中在添加NCG和未添加NCG的Ni-Gr表面的DWG分别提高了大约2.1倍和2.7倍;(b)在没有NCG时，DWC在更高的工作温度下表现出更高的增强;(c)与已有研究相比，在更宽的工作热流范围内，Ni-Gr表面的DWC可以显著提高。

图4. Ni-Gr、Cu-SAM和Cu-Gr管在开环工作条件下：蒸汽温度为~100℃、NCG浓度为3.56% ~ 6.84%、冷却剂入口温度为~80℃时的冷凝延时图像。

图5. Ni-Gr的DWC持续了大约3年。(a)近3年来，DWC在恶劣环境下成功维持;(b)比较报道有NCG和没有NCG的DWC在不同表面上的持续时间;(c)Ni-Gr表面可再生以恢复其冷凝性能;(d)再生后的Ni-Gr表面在6个月的耐久性试验中表现出良好的可持续性。

图6. Ni-Gr表面优异的耐腐蚀性能使高效DWC具有可持续性。(a)经过30天的蒸汽循环暴露后，基于XPS 分析，Ni-Gr表面的Ni原子百分率小于0.1%;(b) Ni-Gr表面的腐蚀速率分别比Ni和TrGr/Ni表面的腐蚀速率低92.1%和98.5%。

相关研究成果由南卡罗来纳大学机械工程系和大连海事大学船舶与海洋工程学院Wei Chang 和 Benli Peng等人于2021年发表在Science Bulletin (https://doi.org/10.1016/j.scib.2021.06.006)上。原文：Few-layer graphene on nickel enabled sustainable dropwise condensation。