基于全光譜太陽光利用的光熱轉(zhuǎn)換材料研究進(jìn)展

趙建玲，馬晨雨,，李建強(qiáng)，李曉禹

(1 河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300130；2 中國科學(xué)院 過程工程研究所 濕法冶金清潔生產(chǎn)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院綠色過程與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190)

光熱轉(zhuǎn)換材料是指在光照條件下，能夠通過自身的光熱轉(zhuǎn)換機(jī)制將光能轉(zhuǎn)換為熱能的一類材料[1]。太陽輻射能量最為集中的波長范圍是0.2～4μm，由于地球大氣中的臭氧、水氣以及其他物質(zhì)的吸收影響，波長在200nm以下和2500nm以上的太陽光輻射基本無法抵達(dá)地面，能夠到達(dá)地球表面的太陽輻射波段主要包括：250～400nm的紫外光(能量占比7%)、400～760nm的可見光(能量占比50%)以及760～2500nm的近紅外光(能量占比43%)[2-3]。研究者的前期工作主要集中在可利用近紅外光進(jìn)行光熱治療的光熱轉(zhuǎn)換材料[4-7]，隨后越來越多的工作開始研究可利用全光譜太陽光的光熱轉(zhuǎn)換材料，并將這類材料應(yīng)用于海水淡化、蒸氣發(fā)電、水凈化和殺菌系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域中。本文主要針對(duì)可利用全光譜太陽光的光熱轉(zhuǎn)換材料應(yīng)用于海水淡化領(lǐng)域進(jìn)行論述。

雖然地球上的水資源總量較大，但是只有不到3%的水資源是提供人類生產(chǎn)和生活的淡水，而且大部分淡水存在開采困難和嚴(yán)重污染的問題[8-9]，對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展造成嚴(yán)重的制約和威脅[10-12]。目前公認(rèn)能有效解決淡水危機(jī)的方法之一是海水淡化技術(shù)[13]，傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)往往是直接或者間接地消耗不可再生化石能源，雖然可以在一定的程度上緩解淡水危機(jī)，但也伴隨著環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題[14]。太陽能作為一種綠色清潔、資源豐富和可再生的能源，在替代化石能源方面具有很大的發(fā)展?jié)摿15-18]。因此，利用太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄碚舭l(fā)水能有效地避免上述問題，是進(jìn)行海水淡化非常有效可行的技術(shù)。

由于水分的蒸發(fā)僅發(fā)生在水的表面，因此要實(shí)現(xiàn)高效的水蒸氣產(chǎn)生效率，就須依靠光熱轉(zhuǎn)換材料將熱量聚集在空氣-水的界面，研究性能優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換材料是發(fā)展全光譜太陽光用于蒸氣產(chǎn)生最重要的環(huán)節(jié)。通過光熱轉(zhuǎn)換材料吸收全光譜范圍內(nèi)的太陽光并將光能轉(zhuǎn)換為熱能，產(chǎn)生的熱能可以被海水吸收產(chǎn)生水蒸氣，通過冷凝等作用將水蒸氣收集即達(dá)到了海水淡化的目的[19]。因此，研究性能優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換材料對(duì)于發(fā)展太陽能用于海水淡化具有重大的意義。本文對(duì)具有全光譜吸收能力的光熱轉(zhuǎn)換材料在海水淡化應(yīng)用中的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行了介紹，主要評(píng)述了當(dāng)前基于全光譜太陽光利用的光熱轉(zhuǎn)換材料的發(fā)展概況和面臨的挑戰(zhàn)，并介紹了海水淡化用光熱轉(zhuǎn)換材料的模型設(shè)計(jì)，展望了光熱轉(zhuǎn)換材料今后的研究熱點(diǎn)及應(yīng)用前景。

1 常見的光熱轉(zhuǎn)換材料

目前常見的可利用全光譜太陽光的光熱轉(zhuǎn)換材料有：碳基材料、金屬基納米粒子、有機(jī)聚合物、無機(jī)半導(dǎo)體材料等。

1.1 碳基材料

碳基材料具有寬譜范圍的太陽光吸收能力，對(duì)太陽能較為集中的可見光及近紅外光都有強(qiáng)烈的吸收，同時(shí)具有穩(wěn)定性高、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)[20]。因此，其光熱轉(zhuǎn)換性能被廣泛研究并在海水淡化領(lǐng)域中顯示出優(yōu)越的應(yīng)用前景。目前已成為海水淡化領(lǐng)域中最有潛力的光熱轉(zhuǎn)換材料之一。

2011年，澳大利亞的王煥庭教授等[21]研究出了Fe3O4/C復(fù)合材料，這是第一種自漂浮的光熱轉(zhuǎn)換材料。以無定形碳作為光熱轉(zhuǎn)換材料，其具有良好的疏水性以及很低的密度可以自漂浮在水面上，而由于Fe3O4具有磁性，該復(fù)合材料在磁場(chǎng)下能夠很好地進(jìn)行收集，可實(shí)現(xiàn)回收利用。由于水分蒸發(fā)僅發(fā)生在水表面，當(dāng)光熱轉(zhuǎn)換材料漂浮于水面上時(shí)能保證熱量集中于水表面。經(jīng)過模擬光源照射，水蒸發(fā)速率提升至沒有該復(fù)合材料的條件下的2.3倍。這一工作引起了研究者對(duì)光熱轉(zhuǎn)換材料用于海水淡化的興趣，然而這個(gè)工作并沒有考慮大體積水帶來的熱損失。麻省理工學(xué)院的陳剛教授等[22]利用膨脹石墨作為光熱轉(zhuǎn)換材料，利用碳泡沫作為基底，將膨脹石墨作為光熱轉(zhuǎn)換材料置于碳泡沫上，由于碳泡沫的親水性好、熱導(dǎo)率低，使整體能自然漂浮在水面且使熱量集中在水的表面。結(jié)果表明，在1kW·m-2的模擬太陽光照射下，水分的蒸發(fā)速率比沒有利用光熱轉(zhuǎn)換材料的條件下提高了2.1倍，太陽光水蒸氣產(chǎn)生效率達(dá)到64%；與下方?jīng)]有碳泡沫相比，水分的蒸發(fā)速率提高了17%，這個(gè)工作證明了采用低熱導(dǎo)率的基底是非常重要的。

常規(guī)的炭黑或者石墨雖然也能吸收可見光，但它們的光吸收能力在空氣介質(zhì)界面受到5%～10%的反射限制[23]。而將材料的尺寸降低到納米級(jí)可以很好地解決這一問題，特別是垂直排列的碳納米管和多孔石墨烯[24-26]。中國科學(xué)院江雷教授等[27]以炭黑納米顆粒為光熱轉(zhuǎn)換材料，實(shí)現(xiàn)了水分在光照下的快速蒸發(fā)。在3kW·m-2的模擬太陽光照射下，當(dāng)材料漂浮在表面時(shí)，模擬海水的蒸發(fā)速率提高至無光熱材料條件下的2.8倍，而當(dāng)材料位于水的底部時(shí)，水蒸發(fā)效率提高是非常少的，這個(gè)工作再次證明了水分蒸發(fā)發(fā)生在水表面。

多孔石墨烯被N摻雜或者親水基團(tuán)功能化，可用于太陽能水蒸發(fā)[28-29]。日本東北大學(xué)陳明偉教授等[28]研究的N摻雜多孔石墨烯材料在1kW·m-2模擬光照下，水蒸發(fā)量高達(dá)1.50kg·m-2·h-1，對(duì)應(yīng)的水蒸氣產(chǎn)生效率為80%。而氧化石墨烯作為石墨烯的一種重要的衍生物，有好的分散性，在納米尺度下能有效地分散在水溶液中。朱嘉教授對(duì)氧化石墨烯作為光熱轉(zhuǎn)換材料做了系列研究[30-31]：研究證明，氧化石墨烯的全光譜吸收率為94%，以聚苯乙烯泡沫作為隔熱材料(熱導(dǎo)率約為0.04W·m-1·K-1)將氧化石墨烯和大體積水物理分割開來，可更好地抑制熱損失，采用該裝置時(shí)，水不論是放在燒杯還是保溫杯里，在1kW·m-2的光照下都有接近80%的太陽光水蒸氣產(chǎn)生效率，循環(huán)10次依然保持穩(wěn)定；最重要的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不再受水質(zhì)量的影響，在蒸發(fā)不同質(zhì)量水的條件下，1kW·m-2的光照下太陽光水蒸氣產(chǎn)生效率都接近80%。圖1為氧化石墨烯基氣凝膠的制備過程。由圖1可知，將氧化石墨烯、多層的碳納米管、海藻酸鈉溶于水中并通過超聲和攪拌使三者混合在一起，然后在聚四氟乙烯中冷卻，得到氣凝膠。這種氣凝膠能漂浮在水面上，且多孔網(wǎng)絡(luò)和良好的親水性能保證水量補(bǔ)給充足、蒸汽及時(shí)溢出，熱絕緣性能保證了熱集中，該材料能吸收92%的太陽光輻照能量，在1kW/m模擬光照下，太陽光水蒸氣產(chǎn)生效率達(dá)到83%。對(duì)光熱轉(zhuǎn)換材料改性使其具有低熱導(dǎo)率、多孔性、親水性，應(yīng)用于海水淡化中，材料將兼具光熱轉(zhuǎn)換材料和基底材料的特性。

圖1 氧化石墨烯基氣凝膠的制備過程[31]Fig.1 Fabrication process of GO-based aerogels[31]

多孔木材、紙等經(jīng)過功能化改性也可以作為基底材料與光熱轉(zhuǎn)換材料復(fù)合應(yīng)用于太陽能海水淡化中。Liu等[32]通過將氧化石墨烯均勻地涂在木材的表面制備出了木材-氧化石墨烯復(fù)合材料，其中氧化石墨烯為光熱轉(zhuǎn)換材料而木材為基底(見圖2)，在12kW/m2的光照下有83%的太陽光水蒸氣產(chǎn)生效率。Liu等[33]將價(jià)格便宜的炭黑粉、親水多孔紙、聚苯乙烯泡沫等復(fù)合，在1kW/m2的非集熱光照下，蒸發(fā)水量達(dá)到1.28kg·m-2·h-1，對(duì)應(yīng)的水蒸氣產(chǎn)生效率為88%。

圖2 木材-GO復(fù)合材料的制作以及應(yīng)用于太陽光水蒸氣產(chǎn)生裝置圖[32]Fig.2 Schematic illustration depicting the fabrication of wood-GO composite and setup for solar steam generation[32]

1.2 金屬基納米材料

當(dāng)金屬納米微粒的直徑遠(yuǎn)小于激發(fā)波長，某一頻率的電場(chǎng)將引起金屬自由電子穿越納米微粒時(shí)的相干振蕩，這種振蕩被稱為表面等離子體共振(SPR)[34]。金屬電子的表面等離子體振蕩導(dǎo)致電磁場(chǎng)中吸收的光增強(qiáng)，隨著微粒尺寸增大，表面等離子吸收譜發(fā)生紅移，粒徑恰當(dāng)?shù)慕鸺{米微粒能夠?qū)梢姽夂徒t外光產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收，并能將光轉(zhuǎn)化為熱能(約1ps)。

2013年，Halas等[35]在表面等離子體共振原理的基礎(chǔ)上，將金納米粒子與SiO2復(fù)合，制成了SiO2/Au納米復(fù)合粒子，并將其均勻地分散于水中，在1.4kW·m-2的太陽光照下實(shí)現(xiàn)了水分的快速蒸發(fā)，太陽光水蒸氣產(chǎn)生效率約為24%，并發(fā)現(xiàn)將材料分散在水中，不利于水蒸發(fā)。

2014年，上海交通大學(xué)的鄧濤教授課題組[36]將粒徑為18nm的金納米顆粒通過納米粒子的自組裝制造出了具有自漂浮性能的金納米薄膜，圖3(a)為自漂浮的金納米薄膜的示意圖，可以看出，金納米薄膜對(duì)可見光有較強(qiáng)烈的吸收，孔隙率約為40%，最大的吸收峰出現(xiàn)在520nm處。由于金薄膜能夠自漂浮于水面上，能夠把光照所產(chǎn)生的熱量聚集于水的表面，結(jié)合最大吸收峰，使金薄膜在532nm激光照射下，可實(shí)現(xiàn)水的快速蒸發(fā)。在1.4kW·m-2的太陽光照下，水的蒸發(fā)速率達(dá)到0.4mg·s-1。在同樣光照條件下，將金納米顆粒分散于水中，即使金納米顆粒的用量為金薄膜上的納米顆粒的兩倍，水的蒸發(fā)速率也僅有一半。雖然采用金納米薄膜實(shí)現(xiàn)了水分的快速蒸發(fā)，但是這種薄膜穩(wěn)定性較差，脆而易碎，很難轉(zhuǎn)移到不同的地點(diǎn)使用，也很難長時(shí)間使用，因此難以進(jìn)行回收再利用。圖3(b)為金納米膜沉積在無塵紙上的示意圖，如圖3(b)所示將金納米薄膜沉積于熱導(dǎo)率低且具有多孔結(jié)構(gòu)的無塵紙上下，可獲得了一種柔韌性良好、可以多次回收利用的光熱轉(zhuǎn)換材料[37]。

圖3 金納米顆粒應(yīng)用于太陽能海水淡化示意圖 (a)自漂浮的金納米薄膜[36]；(b)金納米膜沉積在無塵紙上[37]Fig.3 Schematic diagram of application of Au nanoparticles for solar desalination(a)self-floating AuNP film;(b)AuNP film was deposited on the airlaid paper[37]

2016年，朱嘉教授利用一步物理氣相沉積法將自組裝金屬納米粒子沉積到納米多孔薄膜表面制備光熱轉(zhuǎn)換材料[38-39]。制備的金基無序納米多孔膜(Au/D-NPT；D=365nm)能吸收99%的波長在0.4～10μm光(絕大部分光熱材料只強(qiáng)調(diào)對(duì)波長200～2500nm光的吸收)。由于該材料高效的光吸收能力、等離子體光學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)及多孔結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，能有效地保證太陽光吸收、局部加熱以及蒸氣及時(shí)排除?；谝陨弦蛩?，Au/D-NPT在4kW·m-2的光照強(qiáng)度下有超過90%的光蒸發(fā)水效率。雖然金納米粒子性能較好，但價(jià)格昂貴，可能難以規(guī)?；瘧?yīng)用。朱嘉教授又利用類似的方法將Al納米粒子沉積到氧化鋁薄膜(AAM)上制備了成本較低廉的Al基等離子結(jié)構(gòu)(Al NP/AAM)吸收超過96%的光(200～2500nm)。圖4為Al NP/AAM應(yīng)用于海水淡化中的示意圖，由圖4可知,Al NP/AAM能漂浮在水面，在4kW·m-2光照下太陽光水蒸氣產(chǎn)生效率接近90%。

1.3 有機(jī)聚合物

常見的有機(jī)聚合物光熱轉(zhuǎn)換材料，主要包括吲哚菁綠和聚吡咯納米顆粒。

2015年，王鵬教授研究團(tuán)隊(duì)[40]設(shè)計(jì)了一種疏水自愈性的光熱轉(zhuǎn)換材料。這種材料是將導(dǎo)電高分子聚吡咯涂在不銹鋼網(wǎng)上，采用氟硅烷進(jìn)行表面改性，提高疏水性。在這個(gè)材料體系中，聚吡咯作為光熱轉(zhuǎn)換材料(聚吡咯是一種傳統(tǒng)的利用熱能來驅(qū)動(dòng)海水淡化的材料，將其涂在聚丙烯網(wǎng)上已經(jīng)被用于熱能驅(qū)動(dòng)海水淡化上[41])，其較好的疏水性使得材料能漂浮在水面上。在1kW·m-2模擬光照下，水蒸氣產(chǎn)生速率在2h內(nèi)達(dá)到0.92kg·m-2·h-1。系統(tǒng)的水蒸氣產(chǎn)生效率達(dá)58%，而沒有聚吡咯時(shí)，效率僅為24%。與其他光熱轉(zhuǎn)換材料相比，這種材料最大的優(yōu)點(diǎn)是具有可自愈的自漂浮能力。這是由于材料內(nèi)存在的大量氟硅烷，在光照過程中，損失的疏水性能夠得到及時(shí)的自我修復(fù)。

1.4 無機(jī)半導(dǎo)體材料

黑色無機(jī)半導(dǎo)體材料由于種類繁多、成本低、易功能化成為光熱轉(zhuǎn)換材料中新的研究熱點(diǎn)。對(duì)于無機(jī)半導(dǎo)體材料而言，由于熱耗散是通過一個(gè)單電子和空穴激發(fā)的帶間吸收過程實(shí)現(xiàn)的，熱生成量是非常微弱的。來自太陽光輻射產(chǎn)生的光子具有比半導(dǎo)體禁帶寬度更高的能量，這就導(dǎo)致在輻照下半導(dǎo)體中帶隙基準(zhǔn)上產(chǎn)生電子空穴對(duì)[42]；隨后，通過熱弛豫過程帶隙基準(zhǔn)上的電子空穴對(duì)弛豫到帶邊并且將多余的能量轉(zhuǎn)換為熱能。帶隙基準(zhǔn)上的熱弛豫動(dòng)力學(xué)是非常復(fù)雜的，目前研究認(rèn)為可能是高頻電子散射機(jī)制。與寬禁帶半導(dǎo)體(絕緣體)相比，如果禁帶過寬，在帶邊電子空穴對(duì)重組之前大部分吸收的光能會(huì)以光子的形式釋放[43]。

目前，常見的無機(jī)半導(dǎo)體光熱轉(zhuǎn)換材料多為金屬氧硫族化合物。針對(duì)無機(jī)半導(dǎo)體光熱轉(zhuǎn)換性能的研究主要集中在光熱治療上[4,44-47]。這些材料在應(yīng)用于光熱治療上都有較好的光熱轉(zhuǎn)換效率，將它們應(yīng)用于海水淡化中的研究并不多。半導(dǎo)體材料制備價(jià)格較高且部分難以規(guī)?；苽洹㈤L時(shí)間服役時(shí)可能存在穩(wěn)定性問題[48-49]，使得它們?cè)诤Ｋ械膶?shí)際應(yīng)用受到限制。

2016年，Zhang等[50]利用形狀控制工藝制備了多種不同形狀的Cu7S4。由于在近紅外區(qū)域有很好的光熱轉(zhuǎn)換能力，Cu7S4納米晶體薄膜放在水表面，在1kW·m-2紅外線燈下照射15min，能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到77.1%。這一發(fā)現(xiàn)證明了無機(jī)半導(dǎo)體材料在作為光熱轉(zhuǎn)換材料時(shí)，是可以用于海水淡化中的。

Zhu等[51]通過氫還原法合成了具有獨(dú)特納米籠結(jié)構(gòu)的黑色二氧化鈦，由于獨(dú)特的納米籠結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的陷光效應(yīng)有益于光的吸收，以及納米顆粒的晶粒細(xì)化能加速材料的熱傳導(dǎo)，開孔結(jié)構(gòu)則保證了水氣的滲透。圖5為黑色二氧化碳應(yīng)用于太陽能海水淡化示意圖。如圖5所示，將該材料涂在低熱導(dǎo)率聚偏二氟乙烯上能漂浮在水面上，在1kW·m-2模擬光源照射下，該材料的太陽光水蒸發(fā)產(chǎn)生效率為70.9%。

Geoff教授研究團(tuán)隊(duì)[52]利用不同量的Mg還原TiO2，反應(yīng)生成不同的黑色鈦金屬氧化物(混合物)。隨著Mg含量的增加，反應(yīng)生成物質(zhì)的光吸收能力也隨之變好。在模擬太陽光海水淡化的實(shí)驗(yàn)中，黑色的TiOx被旋涂到不銹鋼絲網(wǎng)上，在1kW·m-2模擬光源照射下，水蒸發(fā)量最高可達(dá)到0.8012kg·m-2·h-1，對(duì)應(yīng)的效率為50.30%。不銹鋼網(wǎng)具有良好的熱導(dǎo)率，在水體積較小的情況下能保證較高的水蒸發(fā)量，然而一旦水體積量增大，大體積水帶來的熱傳導(dǎo)損失就不能忽略不計(jì)。

陳曉東教授研究團(tuán)隊(duì)[42]將微米級(jí)Ti2O3球磨成納米粒子，直接研究穩(wěn)定存在的鈦金屬氧化物的光熱轉(zhuǎn)換性能。納米級(jí)Ti2O3的光吸收率達(dá)到92.5%，利用1kW·m-2模擬光源直接照射納米級(jí)Ti2O3小圓片，通過計(jì)算得到的光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)92%。圖6為Ti2O3應(yīng)用于太陽能海水淡化示意圖。如圖6所示，納米Ti2O3通過過濾均勻地分散在低熱導(dǎo)率、多孔的纖維素膜上，從而漂浮在水面上，在1kW·m-2光源照射下蒸發(fā)水量達(dá)到1.32kg·m-2·h-1，而在5kW·m-2光源照射下蒸發(fā)水量達(dá)到5.03kg·m-2·h-1。

Li等[53]通過HF蝕刻Ti3AlC2制得二維過渡金屬碳化物Ti3C2作為光熱轉(zhuǎn)換材料，將該材料涂在聚偏二氟乙烯上能漂浮在水面上，在1kW·m-2模擬光源照射下，太陽光水蒸發(fā)產(chǎn)生效率為84%。

圖6 Ti2O3應(yīng)用于太陽能海水淡化示意圖[42]Fig.6 Schematic diagram of application of Ti2O3 in solar water desalination[42]

無機(jī)半導(dǎo)體材料作為一種新型光熱轉(zhuǎn)換材料，基本通過負(fù)載在低熱導(dǎo)率的基底上來保證整體懸浮在水面上并隔絕大體積水帶來的熱傳導(dǎo)損失，是一類非常值得深入研究的新型材料。

2 海水淡化用光熱轉(zhuǎn)換材料的裝置

由光熱轉(zhuǎn)換材料應(yīng)用于海水淡化的發(fā)展歷程可知，在保證全光譜的光吸收能力的前提下，常見的光熱轉(zhuǎn)換材料應(yīng)用于海水淡化大體經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：(1)光熱轉(zhuǎn)換材料均勻地分散在水中，然而水分的蒸發(fā)僅發(fā)生在水表面，影響了效率；(2)通過摻雜或者改性使得光熱轉(zhuǎn)換材料自漂浮在水面上，自漂浮的光熱轉(zhuǎn)換材料一般具有疏水性能，自漂浮在水面上保證了水分的蒸發(fā)，但沒有考慮大體積水帶來的熱傳導(dǎo)損失；(3)在光熱轉(zhuǎn)換材料和水面間放置親水性、低熱導(dǎo)率的基底材料，或者通過改性使光熱轉(zhuǎn)換材料在不改變其光吸收能力的前提下形成多孔結(jié)構(gòu)，并具有熱絕緣性和親水性。

利用太陽能進(jìn)行海水淡化，就是利用光熱轉(zhuǎn)換材料吸收并轉(zhuǎn)換光能為熱能，然后將熱量傳遞給水產(chǎn)生水蒸氣的過程。在太陽能蒸發(fā)水的過程中，太陽能存在以下幾種輸出方式：液-氣相轉(zhuǎn)變的總焓值(顯熱和相變焓)，光損耗(包括光的反射和折射)，熱損耗(包括熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流損失)。減小太陽能蒸發(fā)水過程中的光損耗和熱損耗，可以有效提高太陽能蒸發(fā)水的效率。一方面，采用光吸收性能優(yōu)異的材料能有效地降低光損耗；另一方面，由于水分蒸發(fā)僅發(fā)生在水的表面，因此光熱轉(zhuǎn)換材料所產(chǎn)生的熱量必須聚集在空氣-水的界面，并通過設(shè)置基底隔熱層減小熱傳導(dǎo)損失[54]。圖7為一種高效的太陽光水蒸氣產(chǎn)生裝置示意圖[55]，如圖7所示最上層的光熱轉(zhuǎn)換材料負(fù)載在中間基底材料上并漂浮于大體積水的表面，基底材料的微觀多孔結(jié)構(gòu)能保證最下層的水不斷被吸收并與光熱轉(zhuǎn)換材料接觸。被光源照射時(shí)，具有光陷阱顯微結(jié)構(gòu)的光熱轉(zhuǎn)換材料高效地吸收全光譜太陽光并轉(zhuǎn)換為熱能加熱表面的水，而具有低熱導(dǎo)率的基底將光熱轉(zhuǎn)換材料和大體積水(熱導(dǎo)率0.5W·m-1·K-1)隔開，能有效降低大體積水較高熱導(dǎo)率造成的熱傳導(dǎo)損失。

在太陽能蒸發(fā)水模型中，通過公式(1)計(jì)算水蒸發(fā)速率：

(1)

而太陽光水蒸氣產(chǎn)生效率可以根據(jù)公式(2)計(jì)算[54]：

(2)

式中：Lv為水蒸發(fā)潛熱；Q為單位質(zhì)量水的顯熱；Pin為光源能量密度。

3 發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

隨著對(duì)光熱轉(zhuǎn)換材料研究的不斷深入，研究人員已經(jīng)制備出多種類型具有全光譜吸收能力的光熱轉(zhuǎn)換材料，在海水淡化應(yīng)用方面的研究進(jìn)展明顯。目前的研究工作集中在：(1)通過摻雜或者改性提高材料的光熱轉(zhuǎn)換性能，例如：碳材料、Ti2O3等通過納米化可提高其光吸收能力，進(jìn)而優(yōu)化其光熱轉(zhuǎn)換性能；(2)根據(jù)熱定位以及水蒸發(fā)原理證明光熱轉(zhuǎn)換材料需置于水表面，自漂浮的光熱轉(zhuǎn)換材料已經(jīng)被開發(fā)并研究；(3)利用多孔的隔熱材料能降低大體積水帶來的熱傳導(dǎo)損失，同時(shí)隔熱材料具有親水性能保證其負(fù)載光熱轉(zhuǎn)換材料漂浮在水面上，或者對(duì)光熱轉(zhuǎn)換材料本身進(jìn)行改性使其具有多孔結(jié)構(gòu)、親水性以及低熱導(dǎo)率，可以有效提高太陽光水蒸氣產(chǎn)生效率。

圖7 高效的太陽光水蒸氣產(chǎn)生示意圖[55]Fig.7 Schematic diagram of high efficient solar steam generation[55]

伴隨著科技的發(fā)展和各領(lǐng)域?qū)η鍧嵦柲芾迷絹碓蕉嗟男枨螅瑑r(jià)格低廉、易制備、易功能化、具有全光譜吸收能力的光熱轉(zhuǎn)換材料引起了研究者的關(guān)注。而將光熱轉(zhuǎn)換材料應(yīng)用于海水淡化中還有三個(gè)方面需要深入研究：(1)確定影響材料光吸收能力的因素，進(jìn)而確定影響太陽光水蒸氣產(chǎn)生效率的關(guān)鍵因素；(2)光熱轉(zhuǎn)換材料應(yīng)用于海水淡化過程中的物理機(jī)制仍需進(jìn)一步研究，通過合理設(shè)計(jì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)和建立數(shù)值模型有利于深入研究蒸汽產(chǎn)生機(jī)理；(3)將光熱轉(zhuǎn)換材料規(guī)?；膽?yīng)用于海水淡化中。

4 結(jié)束語

基于全光譜利用技術(shù)的光熱轉(zhuǎn)換材料可以吸收全光譜的太陽光，并將吸收的太陽能及時(shí)地轉(zhuǎn)換為熱能，可以應(yīng)用于海水淡化中。目前可應(yīng)用于海水淡化的具有全光譜吸收能力的光熱轉(zhuǎn)換材料主要有：碳材料、金屬基納米粒子、有機(jī)聚合物以及無機(jī)半導(dǎo)體材料。碳材料穩(wěn)定性高、易制備，通過減小碳材料的尺寸(制備碳納米管、石墨烯)能有效地提高其對(duì)全光譜太陽光的吸收能力進(jìn)而提高海水淡化效率。金屬基納米粒子在全光譜范圍內(nèi)吸收能力特別優(yōu)異，但存在價(jià)格昂貴等問題。有機(jī)聚合物聚吡咯具有良好太陽光吸收能力和光熱轉(zhuǎn)換性能，但其穩(wěn)定性較差。無機(jī)半導(dǎo)體材料具有種類繁多、低成本、易功能化等優(yōu)點(diǎn)，但制備價(jià)格較高且部分難以規(guī)?；苽?、長時(shí)間服役時(shí)可能存在穩(wěn)定性問題。嘗試制備價(jià)格低廉、綜合性能優(yōu)異的具有全光譜吸收能力的光熱轉(zhuǎn)換材料仍是主要研究熱點(diǎn)之一。當(dāng)光熱轉(zhuǎn)換材料應(yīng)用于海水淡化時(shí)，通過將光熱轉(zhuǎn)換材料負(fù)載在低熱導(dǎo)率的多孔基質(zhì)上，或者對(duì)材料本身進(jìn)行改性使其具有多孔、親水、低熱導(dǎo)率的性質(zhì)能有效地提高體系的海水淡化效率。探索影響材料光吸收能力的因素，研究材料應(yīng)用于海水淡化中的物理機(jī)制、蒸汽產(chǎn)生機(jī)理，以及材料的規(guī)模化制備等是未來主要發(fā)展趨勢(shì)?？傊?，由于具有良好的光熱轉(zhuǎn)換性能、易制備、易功能化等優(yōu)點(diǎn)，基于全光譜太陽光利用的光熱轉(zhuǎn)換材料在海水淡化、蒸汽發(fā)電、水凈化和殺菌系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。