太陽能光熱蒸發(fā)材料綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u26694太陽能光熱蒸發(fā)材料綜述 1296671.1有機光熱材料 1166741.2碳基材料 2255531.3生物質(zhì)材料 4顯然，在蒸發(fā)系統(tǒng)中作為核心部件的太陽能界面蒸發(fā)器的性能直接決定了其光熱轉(zhuǎn)換效率的高低。典型的太陽能界面蒸發(fā)系統(tǒng)應具有高效的光吸收能力的蒸發(fā)器，同時多孔結(jié)構(gòu)、親水性、熱集中性和供水能力是蒸發(fā)器的必備條件。研究人員正在探索不同的光熱材料，以獲得更高效的太陽能蒸發(fā)器。1.1有機光熱材料人們研究最早的一種光熱轉(zhuǎn)換材料就是有機光熱材料。部分高分子納米顆粒也具有光熱轉(zhuǎn)換能力，近幾年幾種光熱轉(zhuǎn)換材料吸引了高度重視，其主要包括聚苯胺[13,15]、聚吡咯[15,16]和多巴胺[17]、PEDOT：PSS[13,18]等。由于有機光熱材料具有優(yōu)良的光熱轉(zhuǎn)換效率，和較高的穩(wěn)定性，其在太陽能海水淡化領(lǐng)域的應用也越來越受到關(guān)注。ZhangLianbin[19]等通過電化學聚合的方式在不銹鋼網(wǎng)上包覆了一層聚吡咯的膜并對其表面進行疏水改性，使其能夠自由的漂浮在水面上(圖1-5)。這種漂浮在水面的聚吡咯膜，在1KWm-2強度的光的激發(fā)下，其溫度在20s內(nèi)能夠迅速從20℃升高到55℃。在自然環(huán)境中，將其自由的漂浮在水面上進行海水淡化測試，其對太陽光的利用率達到58%，高于其它同類型的膜，能夠更大程度上利用太陽能。重要的是，這種聚吡咯膜無需聚光鏡的幫助，在自然環(huán)境下就能夠升高到較高的溫度，實現(xiàn)較高的蒸發(fā)效率和較高的太陽能利用率。并且，制備這種光熱轉(zhuǎn)換薄膜所需的原料價格低廉，為其在海水蒸發(fā)中的大規(guī)模應用打下了良好的基礎(chǔ)。圖1-5制備超疏水聚吡咯膜的流程示意圖以及薄膜表面形貌[19]1.2碳基材料人們對于碳基光熱材料的研究，主要集中于碳納米管和石墨烯兩種。碳納米管和石墨烯在近紅外波段均有很高的吸收。這是由于在近紅外光的激發(fā)下，表面的等離子共振效應使其溫度迅速升高，進而使周圍介質(zhì)溫度迅速升高。由于碳材料對太陽光具有較強的吸收，因此在太陽能海水淡化中的應用受到了人們的廣泛關(guān)注。HadiGhasemi等[20]將剝離的石墨烯納米片與具有親水性的碳泡沫相結(jié)合構(gòu)建了一種具有多孔狀、高效的光熱轉(zhuǎn)換薄膜膜(圖1-6)。這種薄膜對波長在250nm~2250nm范圍的太陽光的吸收率高達97%，展現(xiàn)出來優(yōu)異的光吸收性能。這種具有多孔狀的材料能夠產(chǎn)生局部高溫，通過親水性的碳泡沫的毛細作用將水分運輸?shù)礁邷貐^(qū)域進而實現(xiàn)鹽與水的分離。因其在水蒸發(fā)的過程中，無需加熱整個水體，能夠最大限度的減少熱量的損失，提高對太陽能的利用率。剝離石墨烯納米材料與碳泡沫構(gòu)建的多孔狀光熱轉(zhuǎn)換膜在光強為10kWm-2的模擬太陽光照下，其對光的利用率高達85%。但是碳泡沫具有較高的熱導率，使得部分熱量通過碳泡沫傳遞到水體，造成了熱量的損失，并且其需要較在高強度的光照下進行蒸發(fā)，限制了其實際應用。圖1-6由碳泡沫支撐的剝離石墨烯雙層結(jié)構(gòu)[20]為此，LiuXiuqiang等[21]通過真空抽濾的方法，將還原氧化石墨烯固定在孔徑為0.02mm的纖維素膜上，得到了可以折疊的高效光熱轉(zhuǎn)換膜(圖1-7a)。這種由纖維素和還原氧化石墨烯共同構(gòu)建的光熱轉(zhuǎn)換膜對太陽光的吸收效率接近94%。在太陽光的激發(fā)下，還原氧化石墨烯通過其光熱轉(zhuǎn)換作用在薄膜的表面產(chǎn)生局部高溫，而纖維素薄膜由于其具有較好的親水性，可以通過毛細作用將水分持續(xù)的運輸?shù)礁邷貐^(qū)域，驅(qū)使水分不斷發(fā)生相分離，實現(xiàn)海水淡化。近年來人們還將碳基材料海水淡化與生物滅菌相結(jié)合，并取得了重大進展。Srikanth等[22]提出了一種基于還原氧化石墨烯(RGO)和細菌納米纖維素(BNC)的新型RGO/BNC抗生物污染超濾膜。現(xiàn)階段的抵制生物污染的方法主要依賴于化學處理，結(jié)合RGO/BNC膜的優(yōu)異的光熱性能，在光照條件下，其展現(xiàn)出優(yōu)異的殺菌性能。這種新型的RGO/BNC膜可以增強膜的穩(wěn)定性和耐久性，并抑制或延遲微生物表面生長(圖1-7b)。在這項研究中開發(fā)的RGO/BNC提供了一種新的、高效的、環(huán)境友好的方法并成功驗證了用于水處理抗生物污染的可行性。圖1-7（a）非接觸式太陽能蒸發(fā)裝置的制備流程[19],（b）RGO/BNC膜的光熱效應和殺菌性能[22]1.3生物質(zhì)材料2016年，Tian等人[12]提出了具有高比表面積的三維開孔結(jié)構(gòu)的三維材料作為新型海水淡化材料。他們把納米等離子體結(jié)構(gòu)加入到細菌納米纖維素氣凝膠中，制備出光吸收能力較強的泡沫材料。在不考慮反射損耗、表面輻射損耗和實驗室損耗的情況下，在5kWm2的光照下，等離子體氣凝膠的太陽能轉(zhuǎn)換效率為76.3%。與石墨烯復合的細菌納米纖維素氣凝膠在10kWm2的光照下，太陽能轉(zhuǎn)換效率為83%[23]。最近徐寧的團隊提出的另一種方法是處理具有較強光吸收能力的天然植物得到的浮動式材料，在1kWm2光照下，天然蘑菇和炭化蘑菇的轉(zhuǎn)換率分別為62%和78%（圖1-8）。圖1-8蘑菇的蒸汽生成裝置及天然蘑菇和碳化蘑菇光熱轉(zhuǎn)換效率示意圖[24]研究發(fā)現(xiàn)，蘑菇的太陽能蒸汽產(chǎn)生能力歸因于其獨特的自然結(jié)構(gòu)，即傘形黑色菌毛、多孔性和小截面的纖維狀菌柄[24]。受木質(zhì)材料從根到葉表面的水分蒸發(fā)行為啟發(fā)，碳化處理的木材[25]、含有碳納米管涂層的柔性木模[26]和含有氧化石墨烯涂層的木材[27]等生物質(zhì)光熱蒸發(fā)材料受到關(guān)注。其中，含有氧化石墨烯涂層的木材在1、10和12kWm2的太陽輻照度下，太陽能轉(zhuǎn)換效率分別達到72%、81%和83%。近來的研究主要集中在提高太陽能蒸發(fā)裝置開發(fā)初期的效率，忽視了其在實際應用中的可行性。例如，陶瓷基材料、生物質(zhì)材料等[32]，以及包括金屬基