三维整体式碳基光热转换材料在太阳能界面水蒸发中的应用研究进展

光热驱动的海水淡化技术被认为是最具潜力的解决全球淡水资源短缺难题的方法之一。其中,太阳能界面水蒸发(SVG)是海水淡化效率的核心过程,是保证光热海水淡化技术具有能量转换效率高、设备简单、成本效益高的关键。在所有高效SVG候选材料中,三维整体式碳基光热转换材料具有成本低、吸光效率高、结构可调性好、水蒸发速率高、无二次污染等优点。本综述首先简述了SVG的基本原理,以此为依据介绍了高效SVG材料的工作机制和设计原则,最后系统归纳和概述了4种不同类型的三维整体式碳基光热转换材料的研究进展。本综述为未来三维整体式碳基光热转换材料的构建及其在SVG领域的应用研究提供理论基础和研究指导。

活化多孔炭用于高效太阳能界面水蒸发协同吸附有机污染物

近年来,太阳能驱动界面水蒸发(solar-driven interfacial water evaporation,SDIWE)在海水淡化和废水净化方面展现出巨大应用潜力并受到了世界各国的广泛关注。然而,如何有效地利用产生的传导热损失去除有机污染物仍然是一个挑战。本文创新性地利用传导热损失进行SDIWE-辅助吸附有机污染物以提高SDIWE系统的整体能效。具体而言,通过盐模板辅助炭化和KOH活化两种方法制备了多孔炭(porous carbon,PC)和活化PC。PC与KOH活化质量比为1∶4的样品(PC-A4)具有分层多孔结构,比表面积高达1867.71 m^(2) g^(-1),孔体积高达1.04 cm^(3) g^(-1),具有较好的全光谱吸收能力。基于此,PC-A4样品具有较高的蒸发速率和能量转换效率,通过调节水体质量可以进一步提高蒸发速率和能量效率。值得注意的是,在309 K的传导温度下PC-A4样品对罗丹明B的最大吸附量达到1610 mg g^(-1),高于相同样品在298 K传导温度下的吸附量。因此,这项工作为有效利用SDIWE系统的传导热损失和推动污水净化技术的应用发展提供了一条有前途的途径。

碳化土豆的太阳能界面水蒸发性能

以土豆为原料,通过表面打孔、碳化工艺得到光热转换材料。研究了该材料的组成、微观结构、光吸收、亲水性、光热转换以及太阳能界面水蒸发性能。结果表明:碳化土豆是多孔结构的无定形碳,在紫外(250~380 nm)和可见光范围内(380~780 nm)光吸收超过90%;具有极好的亲水性、光热转换以及太阳能界面水蒸发性能。在1个太阳辐照下(光功率密度为1 kW·m^(-2))蒸发速率达到了1.44 kg·(m^(2)·h)^(-1),蒸发效率达到了90.71%。碳化土豆可用于含有机染料废水、重金属离子废水的处理。

碳氮化钛/粘胶纤维束集合体太阳能界面水蒸发器的制备及其性能

为提高太阳能光热转化效率,基于太阳能驱动的界面水蒸发原理,结合粘胶纤维的形貌和性能特点,通过在垂直排列的粘胶纤维束端面构筑碳氮化钛(MXene)作为光热转化层,制备MXene/粘胶纤维束集合体太阳能界面水蒸发器,并系统分析MXene涂层数、光照强度对太阳能界面水蒸发器蒸发性能及稳定性的影响。结果表明:粘胶纤维表面的沟槽结构及其集合体垂直排列形成的毛细孔为水传输提供了有利通道;纤维束集合体端面涂覆光热转换材料MXene和增加光照强度有利于提高器件的水蒸发性能,当MXene涂层数由1层增加至5层时,其蒸发速率和蒸发效率分别从0.78 kg/(m^(2)·h)和39.4%提高至1.47 kg/(m^(2)·h)和74.4%;随着光照强度的增大,太阳能界面水蒸发器的蒸发性能也随之大幅提高,当光照强度由1 kW/m^(2)增加到5 kW/m^(2)时,其蒸发速率由1.47 kg/(m^(2)·h)提高至6.45 kg/(m^(2)·h),蒸发效率由70.6%提高至82.4%;太阳能界面水蒸发器在2 kW/m^(2)的光照强度下使用144 h后,其蒸发速率和蒸发效率仍分别高达3.31 kg/(m^(2)·h)和82.1%,与初始值相比仅降低4.1%和3.5%,具有较好的稳定性能。

聚吡咯/纸浆纤维复合光热纸的制备及其太阳能驱动界面水蒸发研究

本研究以未漂硫酸盐针叶木浆为原料,采用原位聚合法制备具有良好亲水性、高能量转换效率的聚吡咯/纸浆纤维复合光热纸,并应用于太阳能驱动界面水蒸发。对光热纸的表面形貌和结构进行了表征,探究了吡咯浓度以及单体与氧化剂摩尔比对纸光热性能的影响。结果表明,随吡咯浓度和氧化剂用量的增加,纸的光热性能也随之提升,当吡咯浓度为5 g/L、单体与氧化剂摩尔比为1∶2时,在1 kW/m^(2)的光照强度下,5 min内光热纸的表面温度可达85.3℃,水蒸发效率可达93.13%。具有优异能量转换效率和良好可循环性能的光热纸的成功开发,为太阳能水净化提供了一种潜在的技术方案。

基于碳纳米管-聚乙烯醇水凝胶的太阳能驱动界面水蒸发性能研究

太阳能驱动界面水蒸发是解决偏远干旱地区淡水资源短缺问题的重要技术,由于制备成本、制造工艺、蒸发性能等因素的限制,目前该技术仍难以推广应用.本文采用碳纳米管-聚乙烯醇(CNT-PVA)为太阳能吸收器,在1倍标准太阳强度(1 kW·m^(-2))下实现了1.43 kg·m^(-2)·h^(-1)的蒸发速率和92.4%的光热蒸发效率.由于CNT-PVA水凝胶对太阳能光谱良好的吸收性能和较低的散热损失,稳态蒸发阶段其表面温度达到40℃,高于本体水域温度,证实了CNT-PVA水凝胶的局域加热能力.同时,水凝胶丰富的内部孔隙可为蒸发前缘持续不断地输运水分,并为产生的蒸汽提供逃逸通道.良好的蒸发性能、较低的制备成本、简单的制造工艺等优势使得CNT-PVA水凝胶在太阳能驱动界面水蒸发技术的应用中展现出较大潜力.

用于农田灌溉的轻木基水蒸发器的制备和性能研究

【目的】在淡水资源愈发短缺的背景下,解决传统的海水淡化技术存在的能耗大、成本高、污染重等问题,利用海水淡化技术为农田灌溉提供可持续的水资源。【方法】通过利用植酸水溶液(Phytic acid,PA)对轻木(Balsa wood,BW)表面进行改性,成功制备了具备优异蒸发性能的植酸改性轻木水蒸发器(PA-BW)。以自浮性优异的轻木为研究基础,利用植酸对轻木蒸发面进行一步处理,在120℃的环境中进行保温处理,成功制作了具有优异光-热转化能力的太阳能界面水蒸发器。【结果】PA-BW蒸发器在1个太阳的光照强度下有着1.64 kg·m-2·h-1的蒸发速率和高达94.1%的光-汽转化效率,远远优于未经处理的轻木(0.81 kg·m-2·h-1,44.7%)。【结论】PA-BW蒸发器由于实验步骤简单、成分不会对环境造成负担和污染,具有很大的优势。并且木材改性的方案具有简便、温和、通用性强等优点,在未来利用海水淡化技术助力农田灌溉的研究中具有一定的借鉴意义。

基于界面水蒸发的多孔光热材料水热平衡调控

光热驱动界面水蒸发是一种新型绿色水处理技术。蒸发表面的水分供需关系是影响蒸发速率的关键因素之一。本文以亲水聚乙烯醇改性的聚氨酯海绵为光热材料,基于毛细水运动规律,通过调控光热材料供水高度实现蒸发表面水分供需平衡。结果表明,当供水高度为10 mm时蒸发速率达到1.3 kg·m^(-2)·h^(-1),并且在质量浓度为3.5%的NaCl溶液中仍可维持1.27kg·m^(-2)·h^(-1)的蒸发速率。本文为提升界面光热蒸发速率提供了新思路。

树枝状介孔二氧化硅负载纳米银用于太阳能驱动的清洁水生产

合成了树枝状介孔二氧化硅纳米颗粒(Dendritic Mesoporous Silica Nanoparticles,DMSNs),随后通过化学还原法在其孔道中装载纳米银(Ag),最终得到Ag@DMSNs复合物。由于纳米银被固定在DMSNs孔道中,因此不易发生团聚,且纳米银的等离激元耦合效应使Ag@DMSNs在太阳辐射范围内具有强的广谱吸收。更重要的是,等离激元弛豫过程中的热效应可以将太阳能高效转化成热,例如,Ag@DMSNs在一个模拟太阳光照射下5 min内(1 k W·m^(-2),420~2500 nm)即可使其表面温度从26℃升温至70℃。将Ag@DMSNs负载于多孔的聚氨酯泡沫材料上,其在一个太阳辐照下的水蒸发速率可达到1.10 kg·m^(-2)·h^(-1),且在模拟海水中也能保持较好的稳定性能。此外,在Ag@DMSNs复合物中纳米银等离激元的弛豫过程中产生的热电子可以有效去除水中污染物,如降解亚甲基蓝。这些结果表明,合理构筑等离激元耦合模式,并利用等离激元弛豫过程中的热效应和热电子效应是实现太阳能驱动的清洁水生产的有效途径,这将为解决日益严峻的淡水稀缺问题提供新思路和新材料。

PDA@PPHF太阳能驱动界面蒸发性能及水质净化研究

将聚多巴胺(PDA)负载在聚丙烯中空纤维(PPHF)膜上制备PDA@PPHF复合材料,研究了其在太阳能驱动下的界面蒸发性能及水处理性能。结果表明,在1个太阳光强下,PDA@PPHF复合材料的水蒸发效率达到80.84%,是纯水自然蒸发效率的4.2倍。此外,PDA@PPHF复合材料在1 kW/m^(2)太阳能驱动下进行了海水除盐和重金属以及染料废水净化,展现出良好的净水效果。实验结果表明,其有潜力应用于海水淡化、废水净化等领域,缓解水资源短缺问题。

镍碳/泡沫蒸发器的制备及其光热蒸发水性能

在“双碳”目标的引领下,推动教育教学体系改革是培养能源领域高技能人才的必要途径之一。太阳能海水淡化具有节能、环保、出水纯度高等优点,针对太阳能驱动界面水蒸发这一科学前沿,设计了一个研究型综合实验。本实验涵盖了光吸收材料的光热转换机理、三聚氰胺泡沫的合成、Ni-MOFs材料的合成、由Ni-MOFs前驱体合成镍碳微球以及材料的表征和性能等内容。将具有应用前景的研究成果转化为综合实验,能够培养学生的科研思维和综合分析能力,加深对产学研一体的认识。

聚乙烯醇载银海绵的制备及界面光热驱动水蒸发性能

利用光热材料的太阳能水蒸发技术是一种绿色、环保地解决淡水资源短缺的重要技术,但光热材料的制备成本、蒸发效率和热损失等因素限制了其推广应用.本文采用一锅法制备了聚乙烯醇载银海绵(AgNPs/PVA)太阳能界面蒸发器,并研究了AgNPs含量对AgNPs/PVA在太阳能驱动水蒸发过程中光热性能的影响.研究结果表明,当AgNPs的质量为PVA的10%时,制备的AgNPs/PVA在1 kW/m^(2)的太阳光强度下具有最优的蒸发速率,水蒸发速率可达1.62 kg‧m^(‒2)‧h^(‒1),为纯水(0.42 kg‧m^(‒2)‧h^(‒1))的3.9倍.本文制备的AgNPs/PVA具有制备工艺简单、亲水性能优良和蒸发性能良好的特点,在太阳能驱动水蒸发领域具有较大的应用前景.

界面光热转换水蒸发系统用纤维材料的研究进展

为缓解化石能源日益匮乏以及淡水资源短缺等问题,促进纤维材料在水资源利用方面的开发和应用,对以纤维材料为主要原料的界面光热转换水蒸发系统的最新研究进展进行综述。首先介绍了界面光热转换水蒸发技术的主要原理、发展历程和应用领域;然后分别分析了界面光热转换水蒸发系统中的光热转换材料和辅助材料,并以不同的功能作为切入点,详细阐述了纤维材料功能多样化、轻质、低成本和便于加工等特性,展示了其作为界面光热转换水蒸发系统主要原料的优异性能;最后针对在界面光热转换水蒸发系统中使用纤维材料所面临的挑战以及如何提升系统的实用性进行展望,希望能够推动纤维材料在界面光热转换技术中的广泛应用。

聚吡咯/纤维素水凝胶的制备及其太阳能驱动水蒸发性能

使用化学氧化法合成光热转换材料聚吡咯(PPy),通过化学交联制备聚吡咯/纤维素复合水凝胶(PCG)作为太阳能蒸发器。PCG具有优异的光吸收性能,当纤维素质量分数为3%、m(PPy)/m(纤维素)为0.3∶1时,蒸发速率最高,在一个太阳光强下可达到1.86 kg/(m^(2)·h),经过20次循环测试后蒸发速率保持稳定,表现出优异的循环稳定性。此外,PCG在海水脱盐与印染废水处理方面有巨大的应用价值。

GO/丙纶纤维基太阳能-水蒸发器的制备及性能研究

本研究根据太阳能驱动的界面水蒸发原理及丙纶纤维的结构和性能,仿生制备垂直排列的丙纶纤维集合体,研究其吸湿导水性能,并在其表面构筑光热转换效率较高的材料氧化石墨烯(GO),进而探索其在太阳能驱动作用下蒸发水的应用。试验结果表明,丙纶纤维基太阳能-水蒸发器蒸发效果显著,在 1 kW/m^(2)的光照条件下蒸发速率高达 1.05 kg/(m^(2)·h),蒸发效率为 75%,经过多次循环测试后,蒸发性能仍保持稳定。

石墨烯基复合水凝胶的制备及其在海水脱盐净化中的应用

利用一步化学还原法将二硫化钼(MoS_(2))纳米花嵌入石墨烯中,制得一种多孔的光热复合水凝胶,即二硫化钼夹层石墨烯水凝胶,其与人工蒸腾装置相结合用于构筑太阳能驱动的界面水蒸发体系。通过扫描电镜、透射电镜、X射线粉末衍射仪、紫外可见-近红外分光光度计及红外热像仪测试材料的形貌和理化性能,并将复合水凝胶置于模拟太阳光下进行水蒸发及脱盐试验。结果表明:MoS_(2)能稳定分散在石墨烯纳米片中,且二者的结合有助于增强材料的光热性能。结合人工蒸腾装置的特殊热定位和快速补水优势,该光热体系能够实现水的快速蒸发,在3.6 kW/m^(2)光照下水蒸发速率(15.6 kg·m^(2)/h)约为自然蒸发的33倍,并且复合水凝胶具有良好的稳定性和高效的脱盐效果,具有清洁水生产的应用前景。

界面光热水蒸发用碳基纤维材料的研究进展

淡水资源日益匮乏已成为严峻的世界性难题。为了促进界面光热水蒸发系统的发展和碳基纤维材料在界面光热水蒸发领域的应用,本文对界面光水蒸发用碳基纤维材料的最新研究进展进行综述。首先介绍了界面光热水蒸发系统的设计原理,其次系统分析了不同碳基材料的光热转换机制和结构特点及纤维材料用于水蒸发系统的性能优势。并以不同碳基纤维材料为切入点,重点介绍了碳基纤维材料的制备方法、性能优势。最后对碳基纤维材料在界面光热水蒸发领域所面临的挑战进行了探究。

碳基光热材料用于同时产生蒸汽和发电

太阳能驱动的界面水蒸发(SIVG)技术是一种新兴的淡水生产技术,具有低能耗、环保、高效等优点。碳基光热材料(CPTMs)因其优异的光热转换性能,可以在SIVG过程中引入温度和盐度梯度,为SIVG系统中蒸汽和电力的产生提供巨大的潜力。本文综述了用于清洁水和发电的各类CPTMs的研究进展。在阐述SIVG的基本原理和关键评价指标的基础上,重点评述了包括氧化石墨烯、碳纳米管、碳点和炭化生物质材料在内的各种CPTMs的光热和SIVG性能,并对水电联产的研究现状进行了分析,提出了应对挑战的策略,旨在为用于同时产生蒸汽和发电的多功能碳基光热材料的发展提供一些指导。

BiOBr/Bi复合光热粉体的制备及其界面光热驱动水蒸发性能

针对太阳能转化应用,溴氧化铋(BiOBr)光催化性能优异,但其光热性能及应用有待研究开发。首先采用水热法制备了BiOBr纳米片粉末,然后利用硼氢化钠(NaBH_(4))对BiOBr粉末进行化学还原。样品表征结果显示,随着硼氢化钠浓度增加,致密的BiOBr纳米片首先转变为BiOBr/Bi复合多孔纳米片,然后转变为金属Bi多孔纳米片。金属Bi及多孔结构的形成有助于提升材料的光吸收性能及比表面积。经过20 g·L^(-1)NaBH_(4)溶液还原得到的BiOBr/Bi多孔纳米片具有最优的光吸收性能和比表面积,且润湿性能优异。光热驱动水蒸发测试结果表明,20 g·L^(-1)NaBH还原得到的BiOBr/Bi复合多孔纳米片具有最优的光热驱动水蒸发性能,水蒸发速率可达2.18 kg·m^(-2)·h^(-1),为纯BiOBr纳米片的2倍。

废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯升级再造为碳材料和金属-有机框架材料

伴随着聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)被广泛应用于饮料瓶、纺织、薄膜和合成纤维,大量废弃PET制品造成的环境污染问题日益突出。将废弃PET升级化学回收,制备高附加值产品是解决废弃PET环境污染问题及使资源可持续发展的重要技术。结合本研究组在该领域的工作,本文介绍了近年来废弃PET高值化制备多孔碳和金属-有机框架材料(MOF)的研究进展,归纳了不同类型多孔碳和MOF的制备方法,总结了PET降解和碳化反应的影响因素和反应机理,概述了所制备的多孔碳和MOF在太阳能界面水蒸发以及与光催化降解污染物、热电发电集成中的应用,对未来的发展方向进行了展望。