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。     

光热转换材料及太阳能热水器的现状和发展方向

太阳能的充分开发和利用离不开太阳能材料和技术的发展.主要从光热转换材料发展的角度阐述了光热转换材料在太阳能热水器中的应用.针对太阳能热水器产业的发展以及"太阳能热水器与建筑一体化"的研究和应用,探讨了今后平板太阳能热水器的研究和应用,从而确定了平板太阳能热水器是今后太阳能热水器的主要发展方向,提出了平板太阳能热水器普及推广亟需解决的几方面问题.     

基于生物精细构型的光催化材料和光热转换材料的研究进展

目前,全球性的能源危机和环境污染问题备受关注。太阳能作为一种可再生的能源,实现其清洁、高效和低成本的转换及利用具有十分重要的意义。其中,利用光催化可将太阳能转换为可存储和运输的氢能,而通过光热效应可借助太阳能对海水进行淡化,这将有助于缓解能源短缺、环境污染以及淡水资源紧缺等问题。如何提高光能转换材料的能量转换效率是当今太阳能转换领域的关键课题。材料的性质由多种因素决定,其中构型是最重要的因素之一。因此,优良的材料构型设计成为材料、化学、生物等多学科、多领域的研究热点,以满足光电催化、光热治疗、能量转换与存储等不同领域的应用需求。然而,目前人工制备手段以"自下而上"的化学自组装与"自上而下"的物理加工方法为主,不仅成本和效率难以兼顾,更难以精准构筑具有复杂精细三维分级构型的微纳结构。对此,有学者提出"遗态材料"的概念,借鉴自然界生物体(包括微生物、动物以及植物)的精细构型,并以自然界生物体结构作为模板,制备出具有特殊结构和功能的材料。这为当今许多领域的科学研究提供了丰富的灵感和启发。近年来,基于生物精细构型的光能转换遗态材料发展迅速,在光电催化及光热领域取得了丰硕的成果。受自然界中的光合作用启发,可通过光催化反应将太阳能转换为化学能。具有三维分级结构的材料的各向异性强、反应接触面积大、微纳米孔多,能够有效增强半导体催化剂的电学、光学特性和催化性能。以树叶、蝴蝶等生物为模板的微纳多孔结构材料提高了催化剂对入射光的吸收,同时也为水分解反应提供了更多的反应位点,其产氢性能比普通构型的材料提高了数倍。同时,在光热水蒸发系统中,木材、蝶翅、莲蓬等模板由于快速的吸水能力、高效的光吸收和光增强能力以及良好的隔热性能,其与金属纳米颗粒的复合材料具有优异的光热蒸发速率与光热转换效率。本文从光催化水分解与光热水蒸发两个领域的应用方面,分别介绍了基于树叶、蝴蝶、硅藻等天然生物精细分级结构的高效太阳能转换材料的构筑及应用,对设计、制备具有分级微纳构型的光能转换材料提供一定的理论参考和借鉴意义。     

面向双碳目标的水淡技术:生物质碳用于界面太阳能光蒸汽转化技术的研究进展

面向碳达峰、碳中和目标，针对当前人们所面临的淡水紧缺和能源危机，研究者们致力于寻找低碳、环保和可持续发展的解决途径。近年来，研究者们对利用“绿色能源——太阳能”和“蓝色能源——海洋”以可持续生产淡水给予极大的关注，试图获得高的能源转化效率以解决淡水与清洁能源两大资源问题，并以此降低碳排放，为碳中和目标助力。界面太阳能光蒸汽转化技术是目前缓解淡水危机极有效的手段之一，凭借其高效的太阳能热利用、出色的光热转化率和高的水蒸发产量而备受关注。界面系统主要包括光吸收器和蒸发装置。其中，碳基光热材料是光吸收器的热门选材之一，尤其生物质碳具有绿色环保、价格低廉、可再生以及变废为宝等优点而颇受欢迎。本文系统地梳理并阐述了基于生物质碳的太阳能光蒸汽转化系统中的材料设计、系统设计、亲水设计、水传输通道设计和抗盐设计，简述了生物质碳的光热转化机理和光热系统的性能评估，最后从实际应用的角度总结了生物质碳在海水淡化和电能生产中的应用研究，并针对当前该领域所面临的挑战和机遇提出了未来几年内的研究热点。     

碳基功能材料在太阳能海水淡化中的研究进展（英文）

碳基材料在太阳能海水淡化(SSD)领域,因其具有优秀的光吸收能力、较高的光热转换效率、水传输的平衡和耐盐性,受到了人们的广泛关注,是未来获取淡水资源的重要途径之一。在这篇小型综述中,笔者对碳基材料在SSD中的最新研究进行了分类和讨论,分析了碳基材料的光热转换机制,总结了目前SSD材料的发展现状,并讨论了水管理在碳基材料SSD中的重要作用。最后,展望了碳基材料在SSD应用中的关键问题与挑战,为进一步改进碳基材料实现高效SSD提供了理论参考。     

超疏水光热转换材料的研究进展

光热转换材料可以将可再生的太阳能高效转换为热能,并在海水淡化、废水净化等领域取得了良好效果,但受限于材料本身的性质缺陷,难以大规模应用。最近的研究表明,超疏水特性可防止污染物附着在材料表面的光热位点,研究者通过超疏水改性,赋予了光热转换材料以优异的自清洁性能。该创新策略极大地提高了光热转换材料的稳定性和持久性,为光热转换材料的实际推广应用提供了可能性。详细介绍了超疏水改性的方法、过程和机理,并重点综述了超疏水光热转换材料的最新研究进展和应用案例。最后,辩证分析了超疏水光热转换材料面临的挑战以及优化策略,进一步展望了超疏水光热转换材料的发展趋势和工程应用前景。     

碳基光热材料用于同时产生蒸汽和发电（英文）

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。     

柔性多孔硅橡胶负载纳米CuS的太阳能蒸发性能研究

界面太阳能蒸发是一种高效、低成本的水净化技术,光热转换材料、微观结构热管理是实现高效太阳能驱动蒸汽产生的关键.聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种环保且结构可灵活设计的柔性硅橡胶,通过填料可有效改善硅橡胶的热导率系数.纳米硫化铜(CuS)在近红外光几乎100％吸收,是一种新型的光热转换材料.本工作以方糖为模板、纳米二氧化硅(SiO2)和铝粉(Al)为填料制备了多孔的SiO2-PDMS/PDMS-Al双层硅橡胶,分别构建隔热、导热层,通过聚乙烯醇(PVA)将纳米CuS附着于PDMS-Al层作为光热转换材料.这种硅橡胶复合材料不仅提高了光热转换材料的亲水性,太阳光吸收率达到97.3％,在1 kW/m2光照下能获得77.03％的蒸发效率,而且具有良好的循环稳定性.PDMS复合光热材料从微观结构上减少了界面太阳能蒸发过程中的热损失,对推广该技术应用于海水淡化、污水处理等具有重要的意义.     

用于太阳能驱动蒸汽发生的低成本荷叶基炭膜（英文）

太阳能驱动的界面蒸发因其解决淡水资源短缺的潜力而备受关注。低成本、高效率的光热转换材料是其广泛应用的关键。本文通过简单的真空抽滤法制备了低成本的荷叶基炭膜,作为太阳能驱动蒸汽发生的光热转换介质。使用市售聚苯乙烯泡沫塑料和多孔纤维滤纸分别作为保温层和输水通道,在实验室自制的太阳蒸汽发生实时测试系统中,荷叶基炭膜的太阳能驱动水蒸发速率和太阳能蒸汽转换效率分别为1.30 kg/m~2 h和77.5%。同时,荷叶基炭膜在海水淡化和污水净化方面也表现出了优异性能。这些结果为低成本、环境友好的生物质基炭材料在太阳能驱动蒸汽发生中的广泛应用提供了可能。     

基于全光谱太阳光利用的光热转换材料研究进展

利用光热转换材料有效提高全光谱太阳光的利用及转换率,是目前国内外学者广泛关注的研究领域。本文综述了近年来主要研究的基于全光谱太阳光利用的光热转换材料类型及研究进展,分析了光热转换材料提高太阳光水蒸气产生效率的应用方式,介绍了太阳光水蒸气产生系统的优化设计模型,强调了低热导率的基质材料在系统中起到的作用,最后展望了光热转换材料在海水淡化领域的应用前景,并指出光热转换物理机制的深入探索和材料的规模化制备将成为未来重要的研究内容。     

可控碳化废弃聚丙烯制备镍/碳纳米材料用于高效光蒸气转换

利用太阳能实现光蒸气转化是一项极具前景的技术,可应用于海水脱盐和淡水制备等领域.然而,从工业的角度来看,制备低成本、高效率的光热材料仍具有挑战性.本文利用聚离子液体(PIL)和氧化镍(Ni O)作为复合催化剂,实现了聚丙烯(PP)的可控碳化,并制备了镍/碳纳米材料(Ni/CNM).研究结果表明,加入微量的PIL可实现对Ni/CNM形貌和织态结构的调控.Ni/CNM由杯状碳纳米管(CS-CNT)和梨形镍纳米颗粒组成,二者在太阳光吸收上的协同作用使得Ni/CNM具有优异的光热转换性能.此外,Ni/CNM具有较高的比表面积和丰富的微/介/大孔,其构建的三维多孔网络可为水和蒸气的高效传输提供通道.光吸收高、水传输快和热导率低等优势,使Ni/CNM的水蒸发速率高达1.67 kg m^-2h^-1,光-蒸气转换效率高达94.9%,且重复使用10次后性能依然保持稳定.该材料同时适用于染料废水、海水和油/水乳化液等水质的纯化.其中,海水中金属离子的去除效率高达99.99%,染料去除率>99.9%.更重要的是,材料的光蒸气转换性能优于最新报道的碳基光热材料.此工作不仅提出了一种可将废弃聚合物转化为先进的金属/碳杂化物的可持续方法,同时也有助于太阳能利用和海水淡化领域的进一步研究.     

碳基光热转换纳米材料的表面功能化和生物应用

光热治疗技术已经引起了广泛的重视,其走向应用的前提是开发出高效稳定的光热转换材料.碳基光热转换纳米材料具有毒性小、稳定性高等优点,已经成为了研究的热点.综述了碳基光热转换纳米材料(包括纳米碳管和石墨烯)的研究进展,重点论述了其表面改性技术(包括非共价键改性和共价键改性方法);随后总结了其表面功能化方法,主要有RGD、抗体、叶酸和DNA等靶向性功能化的修饰方法;最后介绍了其在光热治疗、近红外热成像等生物医药方面的应用.     

氧化石墨烯负载无纺布复合膜的制备及光热转换性能

氧化石墨烯(GO)是一种性能良好的光热转换材料,广泛用于海水淡化、光电转换和太阳能利用等领域。为了测试GO负载无纺布膜(GO膜)和聚乙烯醇-氧化石墨烯无纺布复合膜(PVA-GO复合膜)的光热水蒸发特性,通过改进Hummers方法制备GO,选取了纤维素和聚酯类型的无纺布,通过浸泡-超声法制得GO膜和PVA-GO复合膜。运用紫外-可见-近红外光谱仪分析了GO膜和PVA-GO复合膜的吸光性能,并通过电子天平测量GO膜和PVA-GO复合膜的蒸发水量。由于PVA具有亲水性,能增大膜的吸水性,因而PVA加入会使蒸发水量增大。通过SEM分析GO膜和PVA-GO复合膜表面特征,发现无添加PVA的GO膜是纤维丝状结构,且纤维清晰可见。加入PVA后,纤维被PVA包裹,说明膜对光的吸收能力增强。当加入6wt% PVA时,无纺布纤维被PVA完全包裹。当用氙灯对两种膜进行水蒸发实验时,GO膜的蒸发速率达到了1.67 kg/(m2·h),PVA-GO复合膜的蒸发速率达到了1.85 kg/(m2·h)。此外,GO膜中出现GO层状结构,在紫外-可见-近红外光谱分析中表现出较好的吸光能力,在光热蒸发实验中表现出较好的光热转换能力。PVA-GO复合膜在PVA质量浓度为4wt%时有较好的光热转换性能和吸光性。      

碳质功能材料在废水处理中的应用

在我国“双碳”政策的背景之下，实现绿色高效的废水处理过程成为了当前水处理领域的研究热点之一，对于实现碳减排具有重大意义。碳质功能材料凭借其良好的化学稳定性、经济适用性、易修饰性及环境友好性，从各类水处理材料中脱颖而出，并得以快速发展，有望成为水处理领域新一代绿色环保材料。重点介绍了多种碳质功能材料的改性原理、特点及其在水处理领域的应用进展，并对相关研究领域其目前所面临的挑战及未来的发展方向进行了展望，以期为碳质功能材料的开发和实际应用提供参考。     

太阳能选择性吸收薄膜研究进展及展望

太阳能选择性吸收薄膜是太阳能集热器的主要功能组件,是太阳能光热转换中最为关键的部分,也是获得高光热转换效率的重要方式.本文从太阳能选择性吸收薄膜的原理出发,对材料选择、吸收机理以及制备方法等方面进行了介绍,对太阳能选择性吸收薄膜的国内外发展现状进行了论述,同时对限制太阳能选择性吸收薄膜性能的主要因素进行了分析,并对今后的发展进行了展望.     

太阳能光热利用主要技术及应用评述

评述了太阳能光热利用的两种主要技术,即光热转换和光热发电。阐明了其基本工作原理、装备和实际应用。重点介绍了具有现实意义的太阳能光热转换和光热发电系统及其应用,指出了其优缺点,并展望了相关技术的发展趋势。     

光热转换材料的研究现状与发展趋势

<正>光热转换材料用于产生蒸汽,可用于发电、灭菌,解决水污染、海水淡化、能源短缺等关键问题。其中最核心的环节是选择合适的光热转换材料,将光能高效地转变为蒸汽所需的热能。本文介绍了不同材料的光热转换机理,综述了近年来光热转换材料用于产生蒸汽的研究和设计,阐述了光热转换体系未来的研究发展趋势,对光热转换材料用于蒸汽产生的理解和发展具有重要的总结和指导意义。     

光谱选择性太阳能吸收涂层的研究进展

选择性吸收涂层技术是公认的太阳能光热转换较为核心的技术,它对提高太阳能热转换效率,大规模推广太阳能光热应用起着至关重要的作用。主要综述了光谱选择性太阳能吸收涂层的分类及制备方法。     

中科院制成具有强可见—近红外吸收峰和高光热转换效率的超碳纳米点

正日前,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员曲松楠课题组首次研制出在可见-近红外区具有强吸收和高光热转换效率的超碳纳米点,该工作突破了碳基纳米材料在可见到近红外波段的吸收系数低的限制,并实现近红外区高达53%的光热转换效率,为该类材料国际上报道的最高值,在开发基于碳纳米点的光热治疗试剂方面具有重要的应用前景。碳纳米点具有发光性能优异、水溶性好、生物相容性高、低成本、易修饰等诸多优点,在生物医疗领域展现了独有的     

碳材料在染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池对电极中的应用进展

染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池是目前太阳能电池领域的研究热点,但这两种电池中使用的传统对电极材料,如Pt和Au等稀有且价格昂贵,不利于大规模量产。碳材料作为除Pt,Au等之外的另一种候选材料,其种类丰富且成本低廉,作为对电极应用在这两类电池中具有逐渐接近甚至超越传统电池的光电转换效率,表现出良好的应用前景。本文综述了作为两类电池对电极的碳材料具备的结构、性能及对电池光伏性能的影响,着重介绍各种形式的碳材料应用于对电极的最新研究进展,并指出现有研究存在的局限性与待解决的问题,讨论了碳材料对电极未来的研究方向。