納米碳材料的光熱轉(zhuǎn)換性質(zhì)及影響因素

■北京市第三十五中學(xué) 柳鈺露 肖 飏 杜春燕 謝凌波

目前，應(yīng)用最廣泛的海水淡化技術(shù)主要局限于蒸餾淡化和反滲透膜技術(shù)，然而，兩者都存在能源消耗大、設(shè)備維護(hù)成本高、產(chǎn)品價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，低耗能、低成本、環(huán)境友好型的海水淡化技術(shù)的需求與日俱增。

太陽能被看作是取之不盡、用之不竭的綠色能源，太陽光照導(dǎo)致的水蒸發(fā)提供了大氣環(huán)境中90%的水汽，是生物圈中水循環(huán)極為重要的環(huán)節(jié)。人們可將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，促進(jìn)海水的蒸發(fā)并收集蒸發(fā)產(chǎn)物，即可獲得高品質(zhì)、低價(jià)格的淡水資源。

光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生水蒸氣是一種高效的、全新的太陽能利用方式, 在污水處理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，而低成本、高效率的海水淡化方法還在進(jìn)一步研究中。對此，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室塞思·B·達(dá)林博士等研究者以中國“文房四寶”之一的“墨”為光熱轉(zhuǎn)換材料，對多孔材料進(jìn)行表面沉積改性，使其用于膜蒸餾海水淡化?；谥袊耐繉釉诮t外（NIR）及紫外（UV）區(qū)具有強(qiáng)吸收特性，其改性膜材料具有卓越的光熱轉(zhuǎn)化效率和水蒸發(fā)效率。

此外，這種墨涂層的強(qiáng)粘附性使其能在木材、纖維、塑料等各種多孔基底表面簡便涂覆沉積，利于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，但以碳材料作為光熱轉(zhuǎn)換材料的方法仍在完善，且未對碳材料的光熱轉(zhuǎn)換效率的影響因素有明確的機(jī)理上的認(rèn)識。

一、碳材料存在光熱轉(zhuǎn)換機(jī)理

（一）能級躍遷釋放能量

碳材料主要具有sp3和sp2雜化、π電子云，能級十分接近，帶隙，可見光吸收范圍較寬，光波中絕大部分的光子都被碳材料吸收，使其中的電子進(jìn)行能級躍遷。而處于激發(fā)態(tài)的電子十分不穩(wěn)定，大致可通過輻射躍遷、無輻射躍遷、傳能和猝滅的方式使其回到基態(tài)、放出能量。

（二）黑色吸光特性

自然界的可見光照射到物體上，物體會(huì)反射其無法吸收的光波。黑色物體由于可吸收大量光波，所以看起來是黑色的。以此推測，碳材料由于部分材料呈黑色特性，對光的吸收會(huì)更徹底，從而能更有效地將光能轉(zhuǎn)化為熱能。

（三）光熱轉(zhuǎn)換效率

對于光熱轉(zhuǎn)換效率，由于溫度能從宏觀角度直接反映物質(zhì)的吸、放熱情況，且納米流體在溶劑（水）中以超聲波充分分散，本文直接采用公式（光熱轉(zhuǎn)換效率=溫度改變量/時(shí)間）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

二、實(shí)驗(yàn)材料

水銀溫度計(jì)，液槍，超聲波分散儀，40ml 燒杯，60ml 量筒，紅外線烤燈，石墨烯溶膠，氧化石墨烯溶膠等。

三、實(shí)驗(yàn)方案

用繩子把水銀溫度計(jì)綁在鐵架臺上，將紅外線烤燈放在合適位置。取出2 個(gè)40ml 燒杯，其中一杯盛20ml 清水。

計(jì)算所配溶液濃度需要的溶劑，用液槍把定量的溶劑射入另一個(gè)燒杯。每次使用液槍后都要在盛有清水的燒杯中不斷摁壓液槍尾部的活塞，以清除液槍管內(nèi)殘留的溶劑。

將兩個(gè)燒杯中的溶液混合后倒入40ml 的容量瓶，將配置好的溶液放入超聲波分散儀均勻分散后重新倒入40ml的燒杯。將燒杯放在鐵架臺上，調(diào)整燒杯和水銀溫度計(jì)的高度，使水銀溫度計(jì)的底部剛好沒入溶液。打開紅外線烤燈，待溶液溫度上升至29℃時(shí)，開始計(jì)時(shí)，如圖1。

圖1

四、實(shí)驗(yàn)影響因素

本次實(shí)驗(yàn)的測量參數(shù)主要為溫度（每分鐘的變化），采用水銀溫度計(jì)測量，控制變量為溶液的體積、物質(zhì)所占溶液的比例以及起始溫度。

其中，溶液體積通過容量為60ml的量筒測量，接近40ml 時(shí)使用滴管，確保實(shí)驗(yàn)的溶液體積為40ml。物質(zhì)所占溶液的比例用液槍精確控制（精度為0.001ml）。

為確保溶液在實(shí)驗(yàn)測量中的起始溫度相同，若溶液溫度低則用紅外線烤燈照射至29℃后開始計(jì)時(shí)；若溶液溫度高則等待其降至29℃以下，再用紅外線烤燈加熱至29℃后開始計(jì)時(shí)。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

（一）氧化石墨烯溶膠的光熱轉(zhuǎn)換結(jié)果分析

我們配制了不同濃度的氧化石墨烯溶膠，測試了氧化石墨烯溶膠的溫度隨時(shí)間的變化。結(jié)果表明，濃度為5%與12.5%的氧化石墨烯溶膠加熱10 分鐘后，兩者的最終溫度十分相近，所以濃度對氧化石墨烯溶膠經(jīng)紅外線照射后的最終溫度影響不大。

我們對氧化石墨烯溶膠進(jìn)行了不同濃度下的粒徑測試，結(jié)果表明，5%氧化石墨烯溶膠的粒徑主要分布在2nm至4nm，平均粒徑約為3.6nm；10%氧化石墨烯溶膠的粒徑主要分布在2nm至4nm，平均粒徑約為3.36nm。

所以，氧化石墨烯溶膠的粒徑大小不會(huì)因濃度的變化而引起較大改變，這可能也是其光熱轉(zhuǎn)換效率變化不大的原因。

（二）石墨烯溶膠的光熱轉(zhuǎn)換效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

石墨烯溶膠的性質(zhì)比氧化石墨烯溶膠的更穩(wěn)定。為了解濃度對石墨烯溶膠光熱轉(zhuǎn)換效率的影響，我們配制了不同濃度的石墨烯溶膠，測試石墨烯溶膠的溫度隨時(shí)間的變化，發(fā)現(xiàn)石墨烯溶膠的濃度大小對其溫度的變化影響較大。

我們還測試了不同濃度的石墨烯溶膠的吸光度，發(fā)現(xiàn)濃度為0.1%的石墨烯溶膠與濃度為0.2%的石墨烯溶膠吸光度的差值相對較大。說明石墨烯溶膠濃度越大，吸光能力越強(qiáng)。因此，在紅外線的照射下，濃度高的石墨烯溶膠升溫速率比濃度低的石墨烯溶膠升溫速率高，效果更明顯。

我們測試了石墨烯溶膠不同濃度下的粒徑。結(jié)果表明，濃度為10%的石墨烯溶膠的粒徑主要分布在8nm 至12nm，平均粒徑為10.9nm；濃度為5%的石墨烯溶膠的粒徑主要分布在5nm 至9nm，平均粒徑為7.089nm。石墨烯溶膠的濃度變化對其平均粒徑的影響較大，推測粒徑變化是影響不同濃度石墨烯溶膠光熱轉(zhuǎn)換效率的根本原因。

（三）墨汁的光熱轉(zhuǎn)換效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

作為一種碳基材料，中國墨的光熱轉(zhuǎn)換效率明顯高于銅、氧化銅納米顆粒，甚至炭黑。

為了進(jìn)一步比較中國墨與石墨烯類納米碳材料的光熱轉(zhuǎn)換效率，我們配制了5%、10%、12.5%三種不同濃度的墨汁溶液，測試其溫度隨時(shí)間的變化。結(jié)果表明，在同樣的時(shí)間內(nèi)，12.5%的墨汁溶液的溫度最高，可達(dá)52.2℃，墨汁溶液的濃度對其溫度的變化影響較大。這是為什么？

我們測試了不同濃度的墨汁溶液的吸光度，發(fā)現(xiàn)濃度越大，吸光能力越強(qiáng)。因此，在紅外線的照射下，墨汁溶液的濃度越高，升溫越快。

墨汁的濃度是否影響其粒徑大小，從而影響光熱轉(zhuǎn)換效率？我們對墨汁溶液進(jìn)行了不同濃度下的粒徑測試，發(fā)現(xiàn)濃度為5%的墨汁溶液粒徑主要分布在39nm 至43nm，平均粒徑為41.43nm；濃度為12.5%的墨汁溶液粒徑主要分布在18nm 至20nm，平均粒徑為19.01nm?？梢园l(fā)現(xiàn)，墨汁溶液的濃度變化對其平均粒徑的影響較大。

六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1.研究了氧化石墨烯溶膠、石墨烯溶膠、墨汁三種納米碳材料的光熱轉(zhuǎn)換能力。結(jié)果表明，在同等條件下，光熱轉(zhuǎn)換能力大小依次為石墨烯溶膠＞墨汁＞氧化石墨烯溶膠。

2.濃度對石墨烯溶膠與墨汁的光熱轉(zhuǎn)化效率影響較大，但對氧化石墨烯溶膠的影響很小，納米材料的粒徑大小是影響其光熱轉(zhuǎn)化效率的根本原因。

3.吸光度的大小是影響碳材料光熱轉(zhuǎn)化效率的重要因素。氧化石墨烯溶膠的吸光度隨濃度的變化差異較小，石墨烯溶膠的吸光度隨濃度的變化差異較大，導(dǎo)致兩種材料之間的溫度差異較大。