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高效的(de)太陽能(neng)蒸汽產生（SSG）依賴于相干光(guang)熱(re)材料出色(se)的(de)光(guang)吸收，足夠(gou)的(de)水傳(chuan)輸，大的(de)蒸發面積以及高的(de)熱(re)利用(yong)(yong)能(neng)力。但尚無將這些功能(neng)整(zheng)(zheng)合到(dao)整(zheng)(zheng)體結(jie)構(gou)上的(de)通用(yong)(yong)方(fang)法，其在化(hua)學組成和孔結(jie)構(gou)方(fang)面具有設計靈活性。

基于(yu)以(yi)上現(xian)狀，桂林電子科技大(da)學苗蕾、周(zhou)建華(hua)等在國際(ji)知名期刊NanoEnergy上發表題為“Integrated photothermal aerogels with ultra high-performance solar steamgeneration”的(de)論文(wen)。Yufei Gu為本文(wen)第(di)一(yi)作者。

本文設計并(bing)演示了一種通(tong)用(yong)的殼聚糖（CS）氣(qi)(qi)凝(ning)膠，該(gai)氣(qi)(qi)凝(ning)膠易(yi)于(yu)與其他光(guang)(guang)熱材料兼容以實現高效SSG。CS氣(qi)(qi)凝(ning)膠是通(tong)過(guo)液相一鍋法冷凍干(gan)燥合成的，沒有任何交(jiao)聯劑。CS復合氣(qi)(qi)凝(ning)膠不僅保留了CS氣(qi)(qi)凝(ning)膠的初始特性(xing)，而(er)且還集成了生物相容性(xing)，親水性(xing)和高絕熱性(xing)能(neng)，并(bing)通(tong)過(guo)設計的多孔結構通(tong)過(guo)集光(guang)(guang)和多重散射(she)的作(zuo)用(yong)增(zeng)強了光(guang)(guang)吸收能(neng)力。

與CS氣凝膠復合并通(tong)過凍干機（PP0.1CS1.5-L）冷凍干燥的(de)碳化柚皮顆粒(li)表現出出色的(de)SSG性(xing)能，蒸發速(su)率高達1.78kgm-2h-1，遠遠超出了(le)正常太陽輻射為(wei)(wei)1kWm-2的(de)二維(wei)SSG系統。這項研究為(wei)(wei)輕巧地制造可(ke)重復使(shi)用，低(di)成本，無毒和高性(xing)能的(de)功能性(xing)氣凝膠開辟了(le)一條新途徑(jing)。

1.太陽能蒸汽發電的研究現狀

受(shou)地(di)球水(shui)(shui)循環的(de)(de)(de)(de)啟發，利(li)用光熱(re)轉化材料直接驅動加(jia)(jia)速(su)水(shui)(shui)蒸發并(bing)(bing)收(shou)集系(xi)統中的(de)(de)(de)(de)清水(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)太(tai)陽能蒸汽發電（SSG）在(zai)(zai)污(wu)水(shui)(shui)處理和海(hai)水(shui)(shui)淡化中具(ju)有巨(ju)大(da)的(de)(de)(de)(de)潛(qian)力(li)。SSG的(de)(de)(de)(de)太(tai)陽能熱(re)轉換(huan)效率比傳(chuan)統的(de)(de)(de)(de)散裝水(shui)(shui)加(jia)(jia)熱(re)要高得多，尤其是在(zai)(zai)界面(mian)系(xi)統中，充當太(tai)陽能吸收(shou)劑的(de)(de)(de)(de)光熱(re)轉換(huan)材料層可以漂(piao)浮在(zai)(zai)空氣-水(shui)(shui)界面(mian)處并(bing)(bing)實現局部加(jia)(jia)熱(re)。

通常，高性(xing)能太陽(yang)能蒸(zheng)(zheng)汽發生器需要具備以(yi)下特征：對太陽(yang)光的(de)吸收(shou)極好；充足的(de)供水；高的(de)熱(re)管理能力(li)；蒸(zheng)(zheng)發面積大。

最近(jin)，已經設(she)計和優化(hua)了熱管理(li)和水輸送/蒸發路徑，以進一步減少(shao)熱量損失(shi)，增(zeng)加蒸發面(mian)積以提(ti)高轉(zhuan)化(hua)效率(lv)(lv)。作為SSG的(de)(de)(de)(de)(de)(de)核心能量轉(zhuan)換(huan)組件，需要具(ju)有(you)綜(zong)合(he)性能的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)熱材料(liao)(liao)。已探索的(de)(de)(de)(de)(de)(de)候選(xuan)材料(liao)(liao)包(bao)括碳基(ji)材料(liao)(liao)，貴金屬納米顆(ke)粒和窄帶隙半導體，用于各種聚(ju)合(he)物(wu)。已經設(she)計了光(guang)(guang)熱轉(zhuan)換(huan)材料(liao)(liao)以形成多(duo)孔(kong)微結構或(huo)將其裝載(zai)在額(e)外的(de)(de)(de)(de)(de)(de)多(duo)孔(kong)基(ji)材上(shang)(shang)，這(zhe)將增(zeng)加散射(she)引起的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)捕獲。裝載(zai)在多(duo)孔(kong)膜(mo)上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)熱材料(liao)(liao)比相同量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)裝載(zai)在平面(mian)膜(mo)上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)材料(liao)(liao)具(ju)有(you)更好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)捕獲能力，光(guang)(guang)吸收(shou)率(lv)(lv)從60％提(ti)高到99％。

最(zui)近，通過水熱和(he)冷凍干燥工(gong)藝合成的還原型氧化石墨烯(xi)（rGO）氣凝(ning)膠顯(xian)示出三維（3D）多孔結構，從而(er)導致寬帶光(guang)吸收和(he)高(gao)達90％的太(tai)陽到蒸氣傳(chuan)遞(di)效率。但是，rGO的準備過程復雜，昂貴且耗時。rGO氣凝(ning)膠太(tai)脆弱，無(wu)法回收利用，這限制了其在SSG中(zhong)的廣泛應用。此外，由碳(tan)化酚醛(quan)樹(shu)脂生產的碳(tan)基氣凝(ning)膠也存在類似問題(ti)。

2.聚合物光熱材料的研究現狀及存在的問題

取而代之的(de)是(shi)，聚(ju)合物(wu)光熱(re)材(cai)料(liao)具有(you)巨大的(de)優勢，因(yin)為(wei)它們柔(rou)軟(ruan)，便宜，可在(zai)整(zheng)料(liao)中制(zhi)造，并且易于功能化為(wei)復合材(cai)料(liao)。以3D光熱(re)錐形態制(zhi)備了涂覆在(zai)聚(ju)偏二氟乙烯膜上(shang)的(de)聚(ju)吡咯，其光吸收率為(wei)99％，蒸發速(su)率為(wei)1.70kgm-2h-1。精心設計了炭黑涂層纖維(wei)素層和(he)棉(mian)芯的(de)復合材(cai)料(liao)，以形成具有(you)高蒸發面積和(he)低投(tou)影比的(de)圓柱陣列。在(zai)僅0.25kWm-2的(de)光照(zhao)下，蒸發速(su)率為(wei)0.89kgm-2h-1。

通過這種精(jing)心(xin)設(she)計，提(ti)高(gao)了(le)性能(neng)是由于(yu)減(jian)少了(le)頂表面的(de)(de)能(neng)量損(sun)失以(yi)及從側面獲得的(de)(de)補充能(neng)量。在(zai)我(wo)們以(yi)前的(de)(de)工作(zuo)中，開發了(le)模(mo)擬(ni)樹(shu)系(xi)統(tong)（MTS），其太陽熱(re)轉換效率高(gao)達91.3％。用作(zuo)MTS根(gen)部(bu)的(de)(de)氣(qi)流成網紙將太陽能(neng)吸收層與(yu)散(san)裝水(shui)分開，這不僅為SSG提(ti)供了(le)足(zu)夠的(de)(de)水(shui)，而且還降低了(le)向散(san)裝水(shui)的(de)(de)熱(re)傳導并提(ti)高(gao)了(le)熱(re)利用效率。

膨脹聚(ju)乙(yi)烯(xi)（EPE）泡沫也用于(yu)包裹(guo)MTS，以抑制熱量散發到(dao)周圍環境中(zhong)。基于(yu)數值模型，總熱損(sun)失約占總傳入太陽(yang)能的(de)(de)7.4％，從而(er)確保了(le)(le)MTS中(zhong)出色的(de)(de)熱管理和(he)高效的(de)(de)SSG。具(ju)有(you)三(san)層壓花結(jie)構的(de)(de)MTS中(zhong)的(de)(de)納米油墨染色的(de)(de)聚(ju)乙(yi)烯(xi)醇海綿在1陽(yang)光照(zhao)射(she)下的(de)(de)蒸發速率提高了(le)(le)7.2倍，是純水(shui)的(de)(de)蒸發速率。

由于SSG中(zhong)使用的(de)上述材(cai)料直接從商品獲(huo)得，因(yin)此它們的(de)孔(kong)結(jie)構(gou)是固定的(de)。難(nan)以根(gen)據其孔(kong)結(jie)構(gou)來(lai)調(diao)整光吸收特性。此外(wai)，當功能(neng)組分被集成以形(xing)成復合物(wu)時，合成過程變得更加復雜。因(yin)此，開發一種容易且(qie)對環境友好的(de)途徑來(lai)形(xing)成用于SSG的(de)具有可調(diao)節孔(kong)結(jie)構(gou)的(de)聚(ju)合物(wu)整料仍然(ran)是一個(ge)巨(ju)大(da)的(de)挑(tiao)戰(zhan)。

圖1：圖片概要

在(zai)這(zhe)項(xiang)工作中，作者設(she)計并(bing)演示了一種通用的殼聚糖（CS）氣(qi)凝(ning)膠，該氣(qi)凝(ning)膠可與(yu)其他光熱(re)材(cai)料兼容，以(yi)實(shi)現SSG的高效率。CS是一種從貝(bei)類中提取的可持(chi)續(xu)材(cai)料，由(you)于其具(ju)有(you)豐富的羥(qian)基和酰胺原(yuan)，因此(ci)對重金屬離子(zi)具(ju)有(you)優異的吸收能力(li)，并(bing)且在(zai)水(shui)污染處理，食品(pin)包裝，藥(yao)物(wu)載體(ti)，和傷口修復。

CS氣(qi)凝膠(jiao)是通(tong)(tong)過液相一鍋(guo)法冷凍干(gan)(gan)燥合成(cheng)的，沒(mei)有(you)(you)任何交聯(lian)劑(ji)，其中(zhong)CS氣(qi)凝膠(jiao)的孔(kong)徑(jing)和結(jie)構可通(tong)(tong)過改變冷凍干(gan)(gan)燥技術來調節(jie)。通(tong)(tong)過冷凍干(gan)(gan)燥機（CS1.5-L）制備的CS濃(nong)度為(wei)(wei)(wei)1.5wt％的氣(qi)凝膠(jiao)的孔(kong)隙(xi)率為(wei)(wei)(wei)96％，導熱(re)系數較低，為(wei)(wei)(wei)0.033Wm-1K-1，并且負載(zai)能力(li)非常大。物料的內徑(jing)超(chao)過自(zi)重的8565倍，而沒(mei)有(you)(you)明顯的變形。

此外，作者證(zheng)明了(le)(le)液相一鍋法(fa)冷凍干(gan)燥法(fa)制備(bei)CS型復合(he)(he)氣凝(ning)(ning)膠(jiao)的(de)可行性(xing)(xing)，該(gai)方法(fa)是(shi)將光熱顆粒或分散液與CS溶液混合(he)(he)，然后(hou)直(zhi)接冷凍澆鑄。所獲得(de)(de)的(de)復合(he)(he)CS氣凝(ning)(ning)膠(jiao)不僅保留了(le)(le)CS氣凝(ning)(ning)膠(jiao)的(de)初始(shi)特性(xing)(xing)，而且(qie)還基于(yu)(yu)多孔結(jie)構增強(qiang)了(le)(le)光吸收能力，從(cong)而獲得(de)(de)了(le)(le)適于(yu)(yu)改善(shan)MTS裝置中SSG性(xing)(xing)能的(de)值。

在(zai)這些CS復合氣凝膠中(zhong)，與(yu)CS氣凝膠復合并通過凍(dong)干(gan)(gan)機（PP0.1CS1.5-L）冷凍(dong)干(gan)(gan)燥的(de)碳(tan)化(hua)柚皮（PP）顆粒(li)具有(you)出(chu)色的(de)SSG性(xing)能，蒸發速率高達1.78kgm-2h-1，遠(yuan)遠(yuan)超出(chu)了(le)二維（2D）SSG系(xi)統在(zai)正(zheng)常(chang)的(de)1kWm-2的(de)太陽輻射下所能達到的(de)范圍。

這種環保(bao)，易(yi)相容且用途廣(guang)泛的(de)CS氣凝膠，具有易(yi)于(yu)調節(jie)的(de)孔隙結(jie)構，可滿(man)足高(gao)性能和(he)大規模生產(chan)SSG的(de)光熱(re)材料的(de)要求。

光熱材(cai)料(liao)氣凝膠(jiao)集成了增強的光吸收，便捷(jie)的水傳輸和(he)提高的熱利用率。

?高(gao)達1.781.kgm-2h-1的(de)蒸發速率遠(yuan)遠(yuan)超過(guo)了二維SSG系(xi)統在1kWm-2的(de)正常太陽輻(fu)射下所能達到(dao)的(de)蒸發速率。

?殼聚糖氣凝膠易于與其他光熱材(cai)料(liao)兼容，以產生高效(xiao)的太陽能蒸(zheng)汽。

?復合氣(qi)凝膠的(de)孔徑和(he)結構可以通過(guo)調節冰的(de)形成方(fang)向和(he)凍結溫度(du)來輕(qing)松控(kong)制。

圖2：集成光(guang)熱(re)轉換氣凝膠的制作過程：The fabrication of Integrated photothermal conversion aerogel . Schematic of the solid-liquid (powder in CS solution) and liquid-liquid (dispersion in CS solution) one-pot freeze drying fabrication process and the mechanism of CS-based composite aerogelin SSG.