全球大多数发电厂——无论以煤炭、天然气还是核裂变为动力——都是通过产生蒸汽、推动涡轮机来发电。随后，蒸汽冷凝成水，循环再次开始。
但是，收集蒸汽的冷凝器效率相当低；改进冷凝器可以大幅提升发电厂的整体效率。
如今，麻省理工学院的一组研究人员开发出一种方法，在这些冷凝器表面涂覆一层仅有一个原子厚的石墨烯，并发现这种涂层可使传热速率提高四倍；进一步研究后，提升幅度甚至可能更大。与聚合物涂层不同，石墨烯涂层已在实验室测试中证明具有很高的耐久性。
研究结果发表于期刊 《Nano Letters》 ，作者包括麻省理工学院研究生 Daniel Preston、教授 Evelyn Wang 和 Jing Kong，以及另外两位研究人员。Preston 表示，冷凝器传热性能的提升只是发电循环中的一个环节，根据电力研究院（Electric Power Research Institute）的数据，这有望使发电厂整体效率提高 2% 至 3%；鉴于此类电厂占全球发电量的绝大多数，这足以显著减少全球碳排放。他解释说：“这意味着每座发电厂每年可节省数百万美元。”
冷凝器通常是盘绕的金属管，常由铜制成；它与蒸汽流动相互作用的方式主要有两种。在某些情况下，蒸汽冷凝形成一层薄薄的水膜，覆盖在表面；在另一些情况下，蒸汽则形成水滴，并在重力作用下从表面脱落。
Preston 解释说，当蒸汽形成水膜时，会阻碍传热，从而降低冷凝效率。因此，许多研究的目标是通过使这些表面具有憎水性，来促进水滴形成。
这通常通过使用聚合物涂层实现，但此类涂层在发电厂的高温高湿环境中往往会迅速劣化。若将涂层加厚以减缓劣化，涂层本身又会阻碍传热。
Preston 说：“我们认为石墨烯可能有用，因为我们知道它天然具有疏水性。”于是，他和同事决定在典型的发电厂条件下——即 100 摄氏度的纯水蒸气环境中——测试石墨烯的排水能力及其耐久性。
他们发现，与冷凝水形成水膜的表面（例如裸露金属）相比，这种单原子厚的石墨烯涂层确实使传热性能提高了四倍。进一步计算表明，优化温差可将这一提升幅度提高到 5 至 7 倍。研究人员还证实，在这种条件下持续整整两周后，石墨烯的性能没有出现可测量的劣化。
Preston 说，相比之下，使用一种常见憎水涂层进行的类似测试显示，涂层仅在三小时内就开始劣化，并在 12 小时内完全失效。
用于在铜表面涂覆石墨烯的工艺称为化学气相沉积，已经过广泛测试。Preston 表示，因此，这种新方法最快“只需一年”就可以开始在实际条件下测试。该工艺也应能轻松扩大规模，应用于发电厂尺寸的冷凝器盘管。
弗吉尼亚理工大学生物医学工程与力学助理教授 Jonathan Boreyko 曾研究超疏水表面上的冷凝现象。他说：“这项工作意义重大；据我所知，这是首份报告单层表面涂层实现耐久性滴状冷凝的研究结果。”他补充说：“这些发现有些出人意料，也令人非常振奋。”
Boreyko 并未参与这项研究。他补充说，如果这一方法经进一步测试得到验证，“就可能显著提高发电厂及其他使用冷凝器系统的效率”。
研究团队还包括麻省理工学院博士后 Daniela Mafra，以及前博士后 Nenad Miljkovic；后者现任伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校助理教授。这项工作得到了美国海军研究办公室和美国国家科学基金会的资助。
本文由 MIT News合作发布。本文的发布并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：David L. Chandler 为 MIT News 撰稿。
图片：一座工厂中的柔性管道。路透社/Hannibal Hanschke。
