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光熱膜材料在太陽光譜范圍內應具有良好的吸光性，可最大限度吸收太陽光；具有粗糙的多孔表面，可降低對光的漫反射率和損耗，使膜表面能吸收到更多的太陽光；在光熱膜下層設計良好的隔熱層，可降低熱量傳遞，減少能量損失。

由太陽(yang)能(neng)驅動，通(tong)過光(guang)熱(re)轉(zhuan)(zhuan)換產生水(shui)蒸氣是一種(zhong)高(gao)效(xiao)、新興的太陽(yang)能(neng)利用方(fang)式，在海水(shui)淡化、污水(shui)治理等(deng)領域具有廣闊的應(ying)用前(qian)景。但太陽(yang)能(neng)在到達地球(qiu)后(hou)，能(neng)量密(mi)度小(xiao)又不(bu)連續，是低品位(wei)熱(re)源。將太陽(yang)能(neng)進行富(fu)集，轉(zhuan)(zhuan)換成高(gao)品位(wei)熱(re)能(neng)，就(jiu)需要利用光(guang)熱(re)材(cai)料與光(guang)熱(re)器件。而目前(qian)最(zui)具潛力的光(guang)熱(re)材(cai)料形式之(zhi)一，就(jiu)是光(guang)熱(re)膜(mo)材(cai)料。

什(shen)么(me)是光熱(re)膜(mo)材(cai)料？光熱(re)膜(mo)材(cai)料通(tong)常具備哪(na)些(xie)特點？除海水淡(dan)化(hua)外(wai)，光熱(re)膜(mo)還(huan)能應用于哪(na)些(xie)領域？帶(dai)著這些(xie)問題記者(zhe)采訪了相關專家。

光熱膜材料是太陽能驅動水蒸發技術的核心

由于水對太陽能(neng)(neng)的(de)吸(xi)收(shou)率(lv)低，在自(zi)然蒸(zheng)發條(tiao)件下(xia)，太陽能(neng)(neng)利用率(lv)低，蒸(zheng)發速度比較慢(man)。湖(hu)北大學(xue)材料(liao)科學(xue)與工程學(xue)院院長王(wang)賢保說，普通(tong)的(de)太陽能(neng)(neng)光(guang)熱轉(zhuan)換采(cai)用的(de)是太陽能(neng)(neng)集熱管(guan)，像太陽能(neng)(neng)熱水器對太陽光(guang)熱的(de)利用效能(neng)(neng)只(zhi)有20%。

光(guang)(guang)熱(re)膜材料(liao)被認為(wei)(wei)是(shi)一種吸收太陽能(neng)并能(neng)將其高效轉換(huan)為(wei)(wei)熱(re)能(neng)的(de)膜材料(liao)，它是(shi)太陽能(neng)驅(qu)動水蒸(zheng)發(fa)技術的(de)核(he)心。但是(shi)在(zai)通過光(guang)(guang)熱(re)轉換(huan)產生水蒸(zheng)氣的(de)過程中，部分光(guang)(guang)熱(re)能(neng)量(liang)會不可避免地(di)散失在(zai)空(kong)氣、水等周圍低(di)溫的(de)環(huan)境(jing)中。

中(zhong)國(guo)科學院青島生物能(neng)源與過程(cheng)研(yan)究所(suo)副(fu)所(suo)長江河清研(yan)究員說，光(guang)熱膜材(cai)料(liao)在(zai)太(tai)陽(yang)光(guang)譜范圍內應具有(you)良好的(de)吸(xi)光(guang)性，可最大(da)限(xian)度(du)吸(xi)收太(tai)陽(yang)光(guang)；具有(you)粗糙的(de)多孔(kong)表面，可降低對光(guang)的(de)漫反射率和(he)損(sun)耗，使膜表面能(neng)吸(xi)收到更(geng)多的(de)太(tai)陽(yang)光(guang)；在(zai)光(guang)熱膜下層設計(ji)良好的(de)隔(ge)熱層，可降低熱量(liang)傳遞，減少能(neng)量(liang)損(sun)失。光(guang)熱膜材(cai)料(liao)還應具有(you)良好的(de)水(shui)(shui)傳輸性能(neng)，比如具有(you)豐富(fu)的(de)親水(shui)(shui)互(hu)連孔(kong)隙(xi)結(jie)構等，以保證水(shui)(shui)蒸發過程(cheng)中(zhong)水(shui)(shui)輸送(song)供應的(de)順暢。

常見的光(guang)熱膜(mo)材(cai)料(liao)(liao)大(da)致(zhi)可(ke)分為(wei)無機(ji)材(cai)料(liao)(liao)、有(you)(you)機(ji)材(cai)料(liao)(liao)兩類，無機(ji)材(cai)料(liao)(liao)主要包括(kuo)金屬納(na)米材(cai)料(liao)(liao)，如貴(gui)金屬納(na)米顆粒(li)、無機(ji)半導體(ti)材(cai)料(liao)(liao)、碳基材(cai)料(liao)(liao)；有(you)(you)機(ji)材(cai)料(liao)(liao)則(ze)包括(kuo)有(you)(you)機(ji)小(xiao)分子(zi)化合(he)物及聚合(he)物材(cai)料(liao)(liao)，如聚吡咯(ge)等。

“把無機(ji)或有(you)機(ji)的(de)(de)光熱(re)材(cai)(cai)料，經過(guo)共混紡絲、表面(mian)涂敷、原位改性、材(cai)(cai)料組裝等工(gong)藝環節處理(li)后(hou)，就(jiu)能制備成(cheng)具有(you)多(duo)孔(kong)結構的(de)(de)光熱(re)膜。”中國科學院青島生物能源與過(guo)程研究所副(fu)研究員宋(song)向菊說，在水蒸發(fa)過(guo)程中，料液中的(de)(de)水經光熱(re)膜孔(kong)道的(de)(de)毛細管作用(yong)，傳輸到膜表面(mian)，處于膜表面(mian)的(de)(de)水吸收熱(re)量形成(cheng)水蒸氣，經冷凝后(hou)便可以獲得純凈的(de)(de)淡水。

為提升性能優化材料選擇和結構設計

當前，光(guang)(guang)熱(re)膜(mo)(mo)材料在(zai)(zai)實際應用(yong)中，還存在(zai)(zai)能(neng)量損失、成本(ben)高、穩(wen)定(ding)性不足(zu)等(deng)諸多瓶頸與問(wen)題。比如光(guang)(guang)熱(re)膜(mo)(mo)材料在(zai)(zai)光(guang)(guang)熱(re)轉(zhuan)換(huan)過(guo)程中會出(chu)現熱(re)傳(chuan)導(dao)和熱(re)輻射等(deng)情況，導(dao)致(zhi)部分(fen)能(neng)量損失；某些(xie)光(guang)(guang)熱(re)膜(mo)(mo)材料在(zai)(zai)高溫和強光(guang)(guang)照射下，可能(neng)會出(chu)現腐蝕或降解(jie)，從(cong)而影響材料的長(chang)期穩(wen)定(ding)性和壽命(ming)。在(zai)(zai)海水(shui)淡化(hua)應用(yong)中，還存在(zai)(zai)鹽析現象(xiang)，也就是說，海水(shui)蒸(zheng)發獲(huo)得(de)淡水(shui)的同時(shi)，凝結出(chu)的鹽會吸附(fu)在(zai)(zai)光(guang)(guang)熱(re)膜(mo)(mo)表面，降低了(le)膜(mo)(mo)對光(guang)(guang)的吸收、熱(re)轉(zhuan)化(hua)的效率，從(cong)而降低了(le)光(guang)(guang)熱(re)膜(mo)(mo)材料的水(shui)蒸(zheng)發性能(neng)。

為(wei)此，科研人員在光熱(re)(re)材(cai)(cai)料(liao)選(xuan)擇及膜(mo)結(jie)構設計(ji)上付出了諸多努(nu)力。比(bi)如(ru)為(wei)降低能(neng)量(liang)損失、提(ti)高光熱(re)(re)轉化效(xiao)率(lv)，在膜(mo)下(xia)表面(mian)(mian)(mian)(mian)設計(ji)隔熱(re)(re)層，同(tong)時對光熱(re)(re)膜(mo)材(cai)(cai)料(liao)表面(mian)(mian)(mian)(mian)微結(jie)構，即表面(mian)(mian)(mian)(mian)親疏(shu)水性(xing)、粗糙度(du)等(deng)進行(xing)調(diao)控(kong)，一方面(mian)(mian)(mian)(mian)減少(shao)熱(re)(re)量(liang)向水體傳遞，另一方面(mian)(mian)(mian)(mian)提(ti)高光的吸收(shou)率(lv)；此外，通過在膜(mo)表面(mian)(mian)(mian)(mian)構筑涂(tu)層或調(diao)控(kong)膜(mo)結(jie)構，顯著提(ti)高了光熱(re)(re)膜(mo)材(cai)(cai)料(liao)的穩定性(xing)。

近年來，江(jiang)河清帶(dai)領(ling)研(yan)究團(tuan)隊在(zai)(zai)改善光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)的水(shui)(shui)蒸發(fa)性(xing)能方面(mian)(mian)開(kai)展了(le)(le)(le)大量科(ke)研(yan)工作(zuo)。比(bi)如在(zai)(zai)太(tai)陽光(guang)(guang)(guang)驅動水(shui)(shui)蒸發(fa)過(guo)程(cheng)中，水(shui)(shui)體(ti)中的藻(zao)類、有機物(wu)會(hui)在(zai)(zai)光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)中富集生(sheng)長，造(zao)成膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)污(wu)染(ran)，導致膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)材料性(xing)能下(xia)降。團(tuan)隊為此設(she)計開(kai)發(fa)了(le)(le)(le)具有催(cui)化和光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)特(te)性(xing)的鈣鈦礦光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)，通過(guo)高溫催(cui)化降解(jie)污(wu)染(ran)物(wu)等，實現了(le)(le)(le)光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)的循環再生(sheng)，延長了(le)(le)(le)光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)材料的壽命(ming)。此外，團(tuan)隊還開(kai)發(fa)了(le)(le)(le)中空纖(xian)維陣(zhen)列光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)，可(ke)多角度吸(xi)收太(tai)陽能，顯著提(ti)高了(le)(le)(le)太(tai)陽光(guang)(guang)(guang)利(li)用(yong)效率，提(ti)升了(le)(le)(le)水(shui)(shui)蒸發(fa)性(xing)能；設(she)計了(le)(le)(le)具有不對稱結(jie)構(gou)的Janus光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)，利(li)用(yong)光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)下(xia)層的親水(shui)(shui)特(te)性(xing)，促進水(shui)(shui)向膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)表面(mian)(mian)傳輸(shu)，同(tong)時利(li)用(yong)光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)(re)(re)(re)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)表面(mian)(mian)疏水(shui)(shui)性(xing)，控制表面(mian)(mian)水(shui)(shui)的分(fen)布，從而(er)控制隨水(shui)(shui)傳輸(shu)的鹽離子在(zai)(zai)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)邊緣(yuan)結(jie)晶(jing)、析(xi)出，不但解(jie)決(jue)了(le)(le)(le)鹽析(xi)問題，而(er)且實現了(le)(le)(le)鹽的收集。

國(guo)內多(duo)家科研(yan)單位(wei)也在(zai)進行光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)膜材料創新工作。比(bi)如中(zhong)國(guo)科學院(yuan)深(shen)圳先進技(ji)術研(yan)究院(yuan)研(yan)究員喻學鋒課題(ti)組以天然玄武巖為(wei)原料，設計制備出較為(wei)便宜(yi)、穩定且(qie)耐腐蝕的玄武巖纖維光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)膜，在(zai)紫外(wai)線和近(jin)紅外(wai)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)范圍內，該光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)膜顯示出廣(guang)泛的吸收性(xing)。王(wang)賢(xian)保團隊將石墨烯氣(qi)溶膠(jiao)制備成一張“薄膜”，可隨波漂浮在(zai)水面上(shang)。“這種(zhong)石墨烯膜材料的光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)轉換效(xiao)率高(gao)達94%，而傳統商業(ye)光(guang)(guang)(guang)伏電池(chi)的能量轉換效(xiao)率僅有(you)10%—20%。”王(wang)賢(xian)保說。

在清潔能源和可持續發展領域頗具潛力

除海(hai)水(shui)(shui)淡(dan)化(hua)外，光熱(re)膜材料在(zai)污水(shui)(shui)處理、空氣加熱(re)和凈化(hua)、光催化(hua)等(deng)多個領域也(ye)具有(you)廣泛的(de)(de)應用(yong)前景。比(bi)如將(jiang)光熱(re)膜與超濾、納濾、反滲透等(deng)傳(chuan)統分離技術(shu)耦(ou)合，可(ke)開發(fa)出新型膜分離技術(shu)，利用(yong)太陽能對原料水(shui)(shui)進行加熱(re)，降低水(shui)(shui)的(de)(de)黏度，促使水(shui)(shui)快速通過膜，從而實現水(shui)(shui)與有(you)機物(wu)/鹽的(de)(de)有(you)效分離，并降低能耗(hao)。

“我(wo)們(men)團隊將光熱材料引入聚合物分(fen)離膜，開發了(le)兼具(ju)光熱和(he)分(fen)離功(gong)能的復(fu)合膜，將其應(ying)用(yong)于水和(he)染(ran)(ran)料的分(fen)離，顯著提升了(le)水的滲透通量，并降低了(le)能耗，表(biao)明其在染(ran)(ran)料廢水處理(li)中具(ju)有較好的應(ying)用(yong)潛力。”江河清說。

與光熱膜(mo)處理(li)污水的技術原理(li)相似，光熱膜(mo)還可處理(li)空(kong)氣中的污染(ran)物。江河(he)清研究團隊已開發出(chu)兼具光熱和分(fen)離特性(xing)光熱膜(mo)，將其應用到(dao)空(kong)氣凈化領(ling)域，能有效去除細顆粒(li)物（PM_2.5），同時提升(sheng)室內溫度，達(da)到(dao)提高(gao)生活品質的效果。

光(guang)(guang)熱(re)膜還可(ke)應用在光(guang)(guang)催化(hua)(hua)(hua)、能量存(cun)儲、工業加熱(re)等領域。比如利用光(guang)(guang)熱(re)膜材(cai)料的光(guang)(guang)熱(re)轉化(hua)(hua)(hua)能力，促進(jin)熱(re)解(jie)和催化(hua)(hua)(hua)反(fan)應，可(ke)制備出(chu)高價值化(hua)(hua)(hua)學品(pin)；在電催化(hua)(hua)(hua)領域，利用光(guang)(guang)熱(re)膜可(ke)實現高效電解(jie)水制氫等。

宋向菊(ju)表示，光(guang)熱(re)膜材料的產業化還在不(bu)斷發展中，盡管一些先(xian)進的光(guang)熱(re)膜材料已(yi)在實驗(yan)室(shi)中取(qu)得了良(liang)好效果，但(dan)要(yao)將(jiang)其商業化并(bing)廣泛應用(yong)于實際生產中，還需要(yao)突破技術和經濟(ji)上的瓶頸，以確(que)保光(guang)熱(re)膜材料的可持續性和可靠性。

光(guang)熱膜材料在(zai)可再(zai)生能(neng)源領域(yu)具有巨大(da)的(de)潛(qian)力，其(qi)發(fa)展(zhan)方向將(jiang)主要集中(zhong)在(zai)材料性能(neng)優化、多功(gong)能(neng)性應用、成本降低(di)等方面。比如通(tong)過(guo)優化光(guang)熱膜結構(gou)和組成、引入(ru)新的(de)納米(mi)材料，提高光(guang)熱性能(neng)，以適應不同領域(yu)的(de)需求；根據光(guang)照強度(du)和角(jiao)度(du)，開發(fa)自適應追(zhui)光(guang)的(de)智能(neng)光(guang)熱膜材料等。“隨著科技的(de)進(jin)步，光(guang)熱膜材料將(jiang)在(zai)多個領域(yu)中(zhong)發(fa)揮更大(da)的(de)作用，為清潔能(neng)源和可持續(xu)發(fa)展(zhan)作出新貢獻。”江河清說。