柔性光熱轉換材料的研究進展

簡宏偉，俞丹

（東華大學化學化工與生物工程學院，上海 201620）

水是生命之源，也是人類生存和發(fā)展的必備因素。地球上的水資源看似總量很大，但僅有3%是能夠供人類生產(chǎn)和生活的淡水資源，且多數(shù)地區(qū)的淡水存在開采困難和污染嚴重的問題[1]。隨著人口的增長，水資源短缺的問題將日益突出，預計到2025年，全球將有50%左右的人口面臨水資源匱乏的問題[2]。目前，能有效緩解水資源短缺問題的方法之一是海水淡化技術，但傳統(tǒng)的海水淡化技術往往需要消耗較多的化石能源，這又將增加開采與運輸成本以及環(huán)境污染的壓力[3]。在這種情況下，太陽能作為一種可再生的清潔能源，由其驅動的水蒸發(fā)技術既降低了環(huán)境污染的風險，還解決了能量來源的問題，是一種能有效緩解水資源短缺問題的方法。在太陽能驅動的水蒸發(fā)技術中，由于水對太陽能的吸收率較低，水分的蒸發(fā)僅發(fā)生在水體表面，導致太陽光對水體直接輻照時其光熱轉換效率很低[4]。為了達到更高效的水蒸氣產(chǎn)生效率，就需要光熱轉換材料吸收太陽能并將熱量聚集在空氣-水的界面上以進行界面蒸發(fā)。目前的光熱轉換材料根據(jù)組成主要可分為四類：金屬納米材料、無機半導體材料、碳基吸光材料和有機高分子材料。光熱轉換材料中研究較多的是多孔碳、金屬納米粒子及金屬氧化物[6]。這些材料往往具有很高的光吸收能力以及光熱轉換能力，經(jīng)過一定的結構設計形成太陽能水蒸發(fā)器，能夠大大的提高海水的淡化效率，為一些缺乏淡水的地區(qū)提供清潔的飲用水。在實際使用中考慮到材料的可重復利用性以及可循環(huán)性，往往對其機械穩(wěn)定性和柔韌性有一定的要求，因此，一些柔性光熱材料被越來越多的開發(fā)出來。

1 光熱轉換材料概述

在眾多的太陽能利用方式中，光熱轉換是最直接、最有效的[5]，因此，光熱轉換材料作為實現(xiàn)光熱轉換的載體，其性能對提高太陽能的利用效率尤為重要。光熱材料能夠對較寬波段范圍內(nèi)的太陽光譜產(chǎn)生吸收，并在這些波段內(nèi)具有較強的吸收和轉換的能力。如一些以金、銀、鈀等金屬為基材的納米顆粒對太陽光有著很強的吸收和轉換能力，但由于單個顆粒僅能吸收部分波段范圍的太陽光譜，它們往往需要負載在纖維素纖維、納米氧化鋁模板等材料上以增大對光譜的吸收范圍。另有一些半導體材料如銅硫化物、鈦基半導體以及無毒的磁性粒子由于具有合成簡便、成本較低、耐光降解且對光吸收光譜可調(diào)等特點近年來在光熱領域也展現(xiàn)出了很好的前景。相比于金屬材料和半導體材料，碳基和聚合物基高分子材料則具有更為寬泛的光譜吸收范圍和較高的吸收及轉換能力，部分碳基材料還有較低成本、可大量獲得等特點，如碳納米管、石墨烯、炭黑和聚吡咯、聚多巴胺、聚苯胺等都是很好的光熱材料。

2 柔性光熱材料概述

目前，柔性光熱材料作為一種低楊氏模量、高度可變形的材料[7]，具備柔韌性好、穩(wěn)定性強等特點，具體包括有柔性光熱膜、柔性氣凝膠、柔性納米顆粒以及柔性復合材料等，在諸多領域如生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測、光響應機器人等均有著較大的應用潛力。

此外，較傳統(tǒng)的光熱材料，柔性光熱膜結構更為簡單、便于使用且效率較高，還兼具柔韌性強、超疏水、高導熱等性能。柔性復合材料則在將具有光熱轉換能力的材料與高分子聚合物、纖維素纖維如紙基材料等結合后大大改善了原有光熱材料的柔韌性和機械穩(wěn)定性，同時也保持了較好的光熱轉換效率。柔性氣凝膠是在傳統(tǒng)氣凝膠制備工藝的基礎上發(fā)展起來，兼具了柔韌、穩(wěn)定的特點并能夠保持良好的光熱轉換效果。

3 柔性光熱轉換材料的研究進展

3.1 柔性光熱膜

與傳統(tǒng)的光熱材料相比，光熱薄膜結構簡單、使用方便、成本低、效率高，通過調(diào)整膜的組成和內(nèi)部結構還可以獲得柔韌、可伸縮、超疏水、高導熱和耐酸堿等性能，且往往具有更好的耐久性和機械強度，在可穿戴電子器件、太陽能蒸汽發(fā)生器、海水淡化等光熱儲能方面有著廣闊的應用前景[8]。Bi等[8]以Ti2O3和聚乙烯醇（polyvinylalcohol，PVA）為基料，采用溶液澆鑄法制備了一種柔性光熱納米復合薄膜，經(jīng)表面活性劑對Ti2O3表面改性后在寬光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出較強的光吸收能力和光熱效應。

Ma等[9]利用Pt3Ni-S納米線具有較高光熱轉換效率和優(yōu)異的耐酸堿性能的特點，通過水熱法合成Pt3Ni-S納米線，并將納米線倒在聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）膜上，經(jīng)改性后獲得了柔性Pt3Ni-S疏水膜。經(jīng)測試，在一個太陽光（1 KW/m2）照下，強酸溶液的相對蒸發(fā)速率為0.93 kg/（m2·h），在強堿溶液中的相對蒸發(fā)速率為1.04 kg/（m2·h），且在pH值為1.2～12.0時，經(jīng)10次循環(huán)后Pt3Ni-S膜的相對蒸發(fā)速率沒有明顯下降，表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐用性。

Shao等[10]將聚離子液體澆鑄在玻璃板上干燥后浸入氨水溶液形成多孔膜，再經(jīng)真空碳化后制得多層多孔炭膜。在碳化前，通過改變聚離子液體中的陰離子，可以控制聚合物膜的孔徑和孔結構，使制成的輕質(zhì)疏水多孔炭膜在海水淡化方面表現(xiàn)出較高的性能，其在1KW/m2的太陽光照下水蒸發(fā)速率可達到1.01 kg/（m2·h）。

Zada等[11]受甲殼蟲的隨機緊密堆積結構啟發(fā)，制備了具有隨機尺寸分布的黑色TiO2薄膜，薄膜在太陽光譜中具有較寬的吸收，在1 KW/m2的太陽光照下，溫度可在120 s內(nèi)迅速從25.4 ℃升至90.0 ℃，太陽光蒸汽產(chǎn)生效率可達到77.14%，具有良好的光熱效應。另外，黑色TiO2薄膜具有良好的柔韌性和機械魯棒性，在一些高度要求機械堅固性和靈活性的太陽能熱能應用方面有著很好的潛力。

理想的光熱轉換膜是較難實現(xiàn)的，往往需要具有寬光譜吸收、超薄多孔、導熱系數(shù)低等特性，而且容易結垢的薄膜會降低水的蒸發(fā)效率。Yang等[12]還設計了一種雙層Janus膜，將金納米棒組裝到單壁碳納米管多孔膜上，獲得了高的太陽光譜吸收率且增強了光熱性能，其在5 KW/m2的太陽光照射下的水蒸發(fā)效率達到了94%。

3.2 柔性復合材料

除了柔性光熱膜，許多情況下，其他材料如纖維素纖維、高分子聚合物等，在復合后整體也具有優(yōu)良柔韌性的特點。Huang等[13]采用真空過濾技術制備了一種由頂部多壁碳納米管和底部聚苯硫醚/纖維素纖維組成的柔性高效雙層光熱紙。其不僅具有良好的光熱轉換能力、優(yōu)異的水傳輸能力，在1 KW/m2的太陽光照下，水蒸發(fā)率可達到1.34 kg/（m2·h），光熱效率接近95%，在經(jīng)過多次循環(huán)后，仍能保持較高的太陽能蒸發(fā)效率，有良好的重復利用性。

Zou等[14]以聚苯胺和親水性聚氟乙烯為原料制成高效耐用的柔性聚苯胺復合材料用于海水淡化裝置，在1 KW/m2的太陽光照射下，可以獲得1.41 kg/（m2·h）的優(yōu)良蒸發(fā)率和85.0%的高蒸汽發(fā)生效率。該復合材料具有卓越的持久耐用性，在40次循環(huán)后仍能保持較好的蒸發(fā)性能。

Xiong等[15]以羥基磷灰石納米線（hydroxyapatite nanowires，HN）基無機紙和碳納米管（Carbon nano tube，CNT）為絕熱載體和光吸收體，通過真空輔助過濾和沉積的方法制備了HN/CNT光熱紙，其具有較高的太陽光吸收率、光熱轉換效率、熱穩(wěn)定性以及較低的熱導率和多孔網(wǎng)絡結構等特點。用該光熱紙和聚苯乙烯泡沫塑料組成的太陽能驅動水蒸發(fā)裝置有很好的水凈化能力，在1 KW/m2和10 KW/m2下能分別獲得83.2%和92.8%的水蒸發(fā)效率。

Kim等[16]經(jīng)過乳化、冷凍干燥和激光處理等方法制備了一種由石墨碳和聚酰亞胺薄膜組成的自浮式耐鹽柔性太陽能蒸汽發(fā)生器，其能量轉換效率約為84%，鹽去除率高達99.9%，具有優(yōu)異的太陽能海水淡化性能。

Yang等[17]制備了一種能夠利用光熱效應進行驅動的柔性、超疏水的熱穩(wěn)定光熱紙，在將光熱紙設計成合適的形狀后可實現(xiàn)直線、曲線或旋轉的光驅動運動。該研究預計由光熱紙組成的器件在光響應微機器人、生物傳感器和環(huán)境監(jiān)測等領域有著廣闊的應用前景。

Wang等[6]通過將多層聚吡咯納米片在紙基片上進行順序聚合，形成了形如褶皺和脊的表面結構，顯著增強了對太陽光的吸收效率，從而使光熱轉換效率達到了95.33%；多層的結構使其具有良好的機械柔性和魯棒性，在用于太陽能蒸汽發(fā)電時，一次太陽光照射下測得的效率可達到92%左右，在對太陽能的實際應用中具有較大的潛力。

3.3 柔性氣凝膠

柔性氣凝膠，即具備優(yōu)良柔韌性的氣凝膠，多數(shù)是在傳統(tǒng)氣凝膠制備方法的基礎上通過對原料及工藝的調(diào)整逐漸發(fā)展起來的[18]。對于普通和柔性氣凝膠的界定，一般認為，柔性氣凝膠受到外力作用時會發(fā)生形變，在外力撤除后又能回復到原有形狀，且微觀結構無顯著變化，而普通氣凝膠則不具備此性能。

Zhang等[19]用CuS納米顆粒與細菌纖維素（Bacterial cellulose，BC）基體原位結合的思想制備了雜化凝膠膜作為光熱轉換層，并組成了柔性自漂浮的雙層太陽能蒸汽發(fā)生器，在1 KW/m2的太陽光下其蒸發(fā)率達1.79 kg/（m2·h），效率可達98.5%，循環(huán)40次后仍能保持穩(wěn)定的蒸發(fā)速率和優(yōu)良的耐鹽性。

Wu等[20]以脫脂棉、瓊脂糖和CuS為原料制備了一種低成本的、柔性光熱棉CuS納米籠瓊脂糖氣凝膠。瓊脂糖是支撐光熱CuS納米籠的主要基質(zhì)和結合材料，棉花則顯著提高了氣凝膠的機械強度，所以制得的氣凝膠具有良好的柔韌性和穩(wěn)定性。該光熱氣凝膠也具有優(yōu)良的太陽能蒸汽產(chǎn)生性能，在一個太陽光照下的水蒸發(fā)率為1.63 kg/（m2·h），能量轉換效率可達94.9%，在至少15個循環(huán)后仍能保持性能穩(wěn)定。

Zhang等[21]利用木材的多孔性、潤濕性和導熱性制備了一種柔性、防霉氣凝膠作為基材，再與金納米顆粒和還原氧化石墨烯（Reduced graphene oxide，rGO）組成的Au-rGO光熱層結合組成了高效太陽能海水淡化蒸發(fā)器。該氣凝膠由于具有超親水、超低的熱導系數(shù)、超輕的重量以及良好的柔韌性等特點保持了蒸發(fā)器很好的穩(wěn)定性并提高了蒸發(fā)效率。蒸發(fā)器也獲得了90.1%的太陽蒸發(fā)效率和長期穩(wěn)定的水蒸發(fā)性能。

Storer等[22]以還原氧化石墨烯納米片、稻草纖維素纖維和海藻酸鈉制備了具有良好柔韌性和穩(wěn)定性的石墨烯光熱氣凝膠。在1 KW/m2的太陽光照下水蒸發(fā)率可達2.25 kg/（m2·h），能量轉換效率為88.9%，對實際海水進行光熱蒸發(fā)后可降低海水鹽度，較易達到世衛(wèi)組織（World health organization，WHO）和美國環(huán)境保護署（United states environmental protection agency，USEPA）制定的清潔飲用水標準。

4 結語

柔性光熱材料不僅在海水淡化、污水凈化方面有較大的應用潛力，對于太陽能蒸汽發(fā)電、海水脫鹽、殺菌，以及一些對柔韌性要求較高的應用領域如生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測、微型機器人等領域有著更廣闊的前景。未來對于柔性光熱器件的研究和應用也將逐漸成為一個趨勢。