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巴尔杉木负载碳点—聚吡咯蒸发器的构筑及其太阳能驱动水蒸发应用

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巴尔杉木负载碳点—聚吡咯蒸发器的构筑及其太阳能驱动水蒸发应用

作者：叶子昂中北大学

学位级别：硕士

能源危机和淡水资源短缺是当今世界发展所面临的两大问题。太阳能驱动界面水蒸发技术是利用清洁绿色的太阳能来获得淡水资源,是实现太阳能开发利用和水净化的有机结合。近年来,开发高效的光热水蒸发器受到了广泛关注。碳点（CDs）是一... 详细信息

能源危机和淡水资源短缺是当今世界发展所面临的两大问题。太阳能驱动界面水蒸发技术是利用清洁绿色的太阳能来获得淡水资源,是实现太阳能开发利用和水净化的有机结合。近年来,开发高效的光热水蒸发器受到了广泛关注。碳点（CDs）是一种零维的碳纳米材料,具有表面富含官能团、合成方法多样性等特点,这些特性使其在构筑新型复合结构方面表现出独特优势。本文以课题组前期开发的通过甲酸（HCOOH）和双氧水（HO）氧化刻蚀煤沥青合成的碳点原液作为添加剂,选用具有低密度、低导热、独特孔结构的巴尔杉木（Balsa）作为载体,提出了一种实现吡咯快速聚合和碳点-聚吡咯（CDs-PPy）在巴尔杉木上均匀沉积的策略,构筑出了巴尔杉木负载碳点-聚吡咯蒸发器（CDs-PPy/Balsa）。系统研究了巴尔杉木负载碳点-聚吡咯蒸发器的太阳能驱动界面水蒸发性能,分析了碳化处理巴尔杉木载体对光热水蒸发性能的影响。主要研究内容如下:（1）将巴尔杉木进行去木质素处理以提高其亲水性,然后将其浸泡于吡咯（Py）单体溶液中,接着向吡咯溶液加入通过甲酸和双氧水氧化刻蚀煤沥青合成的碳点原液,在无需添加其它氧化剂和催化剂的情况下,实现了吡咯的氧化聚合,构筑出了巴尔杉木负载碳点-聚吡咯光热剂（CDs-PPy/Balsa）的蒸发器。结果表明,碳点原液中未反应的HCOOH/HO不仅可以作为氧化剂氧化吡咯单体,而且还能去除巴尔杉木中不稳定的半纤维素,使得孔壁上产生了更多的孔。同时,该合成方法有效抑制了PPy大团聚体的形成。因此所得的CDs-PPy/Balsa蒸发器很好地保留了Balsa的三维连通网络结构。相比在酸性条件下以过硫酸铵作为氧化剂制备的巴尔杉木负载聚吡咯（PPy/Balsa）蒸发器,CDs-PPy/Balsa蒸发器表现出了更优异的光热水蒸发性能,其在一个标准太阳光强照射下的光热水蒸发速率为1.18 kg m h,光热转换效率为81.7%。同时,CDs-PPy/Balsa蒸发器在循环测试、盐水溶液以及不同p H的溶液中都表现出稳定的光热水蒸发性能,具有良好的实际应用潜力。（2）进一步探究了碳化处理巴尔杉木载体对光热水蒸发性能的影响。在氩气保护气氛下将巴尔杉木加热到不同温度对其进行碳化处理（记为CBW）,构筑了碳化巴尔杉木负载CDs-PPy光热剂的蒸发器（CDs-PPy/CBW）。结果表明,300℃可作为巴尔杉木最优选的碳化温度,以300℃碳化处理的巴尔杉木作为载体得到的CDs-PPy/CBW蒸发器在一个太阳光强(1.0 k W m)下的光热水蒸发速率达到了1.48 kg m h。该良好的光热水蒸发性能主要缘于碳化处理后的巴尔杉木具有更低的导热系数,其有助于将蒸发器吸收太阳能转化成的热更好地限域到水-汽界面,从而促进界面处的水蒸发。

关键词：碳点聚吡咯巴尔杉木蒸发器太阳能驱动水蒸发

自驱型界面太阳能驱动水蒸发装置的设计及其水纯化性能研究

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自驱型界面太阳能驱动水蒸发装置的设计及其水纯化性能研究

作者：冯心悦北京化工大学

学位级别：硕士

淡水资源在维持人类生命活动中占据着无可替代的地位,其对于实现可持续发展同样具有不可或缺的重要性。然而,令人担忧的是,尽管地球表面被水覆盖的面积超过70%,但可供人类直接利用的淡水资源却仅占全球水量的极小部分,不足1%。鉴于淡水... 详细信息

淡水资源在维持人类生命活动中占据着无可替代的地位,其对于实现可持续发展同样具有不可或缺的重要性。然而,令人担忧的是,尽管地球表面被水覆盖的面积超过70%,但可供人类直接利用的淡水资源却仅占全球水量的极小部分,不足1%。鉴于淡水资源的严重短缺,探索可持续且可再生的淡水获取技术显得尤为迫切。太阳能界面水蒸发技术,在水-空气界面通过太阳能加热,促进水的蒸发,以一种环保可持续的方式实现了对含盐水或污染水的净化。然而,这一技术的实施过程中仍面临着诸多挑战。例如,海水在长时间蒸发过程中会产生盐结晶问题;海上石油开采过程中的原油泄漏等污染事件也会对海水质量造成严重影响,进而对界面光热驱动水蒸发技术带来挑战。为实现多功能水净化,最大限度利用热能,提高界面太阳能驱动水蒸发的效率及抗盐、净化油污海水的能力,本文对供水系统、热管理以及光热系统的特性与设计进行了深入研究。本文分别采用了高光吸收率的羧基化碳纳米管和聚吡咯作为光热转换材料,以超亲水竹纤维布作为基体材料,通过对供水方式的设计和装置结构的调控,在保证原材料优势的前提下进一步提高了装置的水蒸发效率和其在复杂环境中的多功能应用,具体研究内容如下:（1）本课题采用羧基化碳纳米管作为高效光热转换材料,并以竹纤维布作为支撑基体,构建了一种三维倒锥形太阳能蒸发装置（CBF）,该装置旨在实现高效水蒸发,并具备长期稳定的抗盐性能。为优化自供水与排盐机制,综合设计了基于浓度差驱动的供水方案。同时设置了多条输水通道,以强化整个装置的自供水能力。此外,利用装置丰富的侧面面积增强了额外的冷蒸发效果,显著提升了蒸发器整体蒸发性能和使用寿命。在一个太阳光强度照射下,本课题设计的三维CBF蒸发器展现出了卓越的蒸发速率(2.93 kg m-2h-1)。且在3.5 wt%的盐水溶液和每天8小时的光照条件下进行7天的太阳能驱动蒸发抗盐的过程中,三维CBF蒸发器的平均蒸发速率保持在2.76 kg m-2h-1,体现了蒸发装置高效的水蒸发和优异的循环稳定性。（2）本课题首次设计并制备了一种虹吸式倒锥形双层太阳能蒸发器,通过采用原位生长聚吡咯涂层作为亲水及光热转换层,结合PDMS改性的竹纤维布作为亲油层,该蒸发器成功实现了高效且稳定的太阳能驱动水蒸发以及油水分离。值得注意的是,在该装置体系中,光热效应有效降低了油的粘度,提高了油的输送速率,并且通过构建高度差,进一步强化了从上而下的虹吸式自发供水供油机制。这一设计显著提升了水蒸发效率和油回收效率。在1个太阳光强度的照射下,该3D双层蒸发器展现出了卓越的性能,其水蒸发速率最高可达到3.02 kg m-2h-1,而油回收速率达到30 L m-2h-1。值得一提的是,在经过长期脱盐实验后,该蒸发器依然能够保持稳定高效蒸发速率,充分证明了其出色的耐久性和稳定性。

关键词：太阳能驱动水蒸发聚吡咯羧基化碳纳米管脱盐油水分离

等级梯度孔结构氧化硅气凝胶的构筑及其太阳能驱动水蒸发应用

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等级梯度孔结构氧化硅气凝胶的构筑及其太阳能驱动水蒸发应用

作者：张暄中北大学

学位级别：硕士

淡水资源短缺是当今人类面临的严峻挑战。利用可再生和清洁的太阳能从海水/废水中提取蒸汽的蒸发技术因绿色环保且无二次污染,被认为是解决该问题的重要途径之一。其中,太阳能驱动的界面水蒸发技术能够将光热材料吸光产生的热能局域在... 详细信息

淡水资源短缺是当今人类面临的严峻挑战。利用可再生和清洁的太阳能从海水/废水中提取蒸汽的蒸发技术因绿色环保且无二次污染,被认为是解决该问题的重要途径之一。其中,太阳能驱动的界面水蒸发技术能够将光热材料吸光产生的热能局域在蒸发界面处,避免了对整个水体的加热,大幅提高了太阳能蒸发水效率。但是,太阳能驱动界面水蒸发涉及到光吸收、热管理、水管理等多个因素,还存在蒸发过程中的盐沉积和污染等问题,因此实现高效的蒸发效率还需要进一步的探索和突破。本论文围绕如何同步实现有效地热管理和水管理,选取具有隔热性好、稳定性高的氧化硅作为光热剂载体,通过设计合成工艺,对氧化硅气凝胶的孔结构进行调控,旨在为太阳能驱动界面水蒸发应用领域提供一种高性能的光热剂载体,实现太阳能的高效利用。第一,通过引入低沸点的乙醇,构筑出了具有等级梯度孔结构的氧化硅气凝胶(HPSA),同步实现了有效的热管理和水管理。乙醇在氧化硅气凝胶形成过程中的挥发起到了很好的造孔作用,使得合成的氧化硅气凝胶上部区域孔密度高、孔径大、并有一些随机分布的大孔,下部区域孔密度低、孔径小,而且由具有介孔结构氧化硅球组成的孔壁也为多孔结构,呈现出了等级梯度孔结构的特征。独特的孔结构加之氧化硅自身优异的隔热性和表面富含羟基的性质,合成的HPSA表现出了优异的光捕获能力、良好的热限域特性、快速的水传输和供应能力以及有效降低水蒸发焓的性质。因此,以HPSA作为载体、碳点/多巴胺(CDs/PDA)为光热剂制得的蒸发器(HPSA-E)不需要隔热装置,可直接漂浮于水面进行水蒸发,并且相比传统的巴尔杉木、海绵为载体的蒸发器,表现出了更优异的太阳能驱动界面水蒸发性能,在一个太阳光强下水蒸发速率可达1.95kg m h。此外,HPSA-E具有优异的抗盐性,其在20 wt%的高浓度盐水溶液中表现出了与纯水接近的蒸发速率,而且在户外持续自然光照9 h条件下,在15 wt%盐水溶液中能够保持稳定的水蒸发速率,表面无盐分析出。开发的低成本、可放大制备的HPSA-E具有良好的实际应用潜景。第二,在充分理解HPSA独特性质的基础上,进一步以HPSA为载体,设计合成了同时具有光热和光催化性能的蒸发器(HPSA-DE)。在碳点/多巴胺光热剂合成过程中,引入一定量硫酸铜,然后将HPSA浸泡到光热剂中,浸泡一定时间后洗涤干燥,得到HPSA-DE蒸发器。HPSA-DE在一个太阳光强下水蒸发速率可达1.70 kg m h,在连续5次的光热水蒸发测试中,显示出了良好的循环稳定性。同时,该蒸发器表现出了较好的光热和催化降解污染物罗丹明B的能力。

关键词：氧化硅气凝胶等级梯度孔蒸发器设计热管理和水管理太阳能驱动水蒸发

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基于复合纳米材料太阳能驱动水蒸发效率研究

基于复合纳米材料太阳能驱动水蒸发效率研究

作者：王一帜浙江师范大学

学位级别：硕士

太阳光驱动水蒸发是净化水的一种简单而绿色的方法,然而利用太阳光驱动水蒸发的效率相当低,需要昂贵的光学聚焦系统提升其光热转化效率。最近,纳米材料使这项技术变成了现实,使其能够在普通环境中利用太阳光将吸光体局部加热,从而使水... 详细信息

太阳光驱动水蒸发是净化水的一种简单而绿色的方法,然而利用太阳光驱动水蒸发的效率相当低,需要昂贵的光学聚焦系统提升其光热转化效率。最近,纳米材料使这项技术变成了现实,使其能够在普通环境中利用太阳光将吸光体局部加热,从而使水快速蒸发。利用纳米材料使太阳光驱动水蒸发,无需额外能量输入即可实现高效水蒸发,具有热损小、转化率高、结构灵活等特点,存在大规模应用地潜能。本论文成功制备了还原石墨烯海藻酸钙凝胶膜,利用海藻酸钙凝胶的多孔亲水结构,实现了水分子的自输运,同时将还原的石墨烯均匀分散在凝胶中,增加了入射光的吸收,将纯氧化石墨烯膜的吸光率从83.5%提升至90%。所制备的凝胶膜,其蒸发效率由纯氧化石墨烯膜60%,提升至77%。对于蒸发淡化后的蒸馏水,所含盐离子浓度远低于原模拟海水,均符合卫生饮用水离子浓度标准。经过对海水多次循环淡化测试,凝胶膜在清洗后均能恢复初始效率,凝胶膜的稳定性较好。在持续的海水淡化过程中,我们发现,由于盐结晶的出现,遮盖了蒸发膜的吸光面,并且堵塞了水分子的扩散通道,导致蒸发膜的蒸发效率迅速下降,通过清洗可恢复初始的蒸发效率。基于吸光薄膜对太阳光应具有热控制特征,我们考虑了薄膜多孔介质孔隙的迂曲分布以及大裂缝特征,基于多孔介质孔道满足分形标度和裂缝采用分叉结构,构建了双重多孔介质模型。针对所建模型,我们利用分形理论给出了双重多孔介质的有效热传导率表达形式,该表达式中不含有经验参数,变量均是双重介质结构参数,每一个参数都具有明确的物理意义。将所得到的结果与存在的实验数据进行比较,两者结果吻合的比较好。总而言之,太阳能驱动水蒸发是一个非常复杂的过程,既要考虑吸光体的吸光性能,也要考虑吸光体的吸水特征,还得关注吸光体的热绝缘性。本论文研究工作仅测试了一种材料的水蒸发性能,并关注了理想物理模型的热传导特性。然而,太阳能海水淡化不仅限于以上课题。不过,初步的研究结果为太阳能海水淡化提供了认识,对进一步深入研究提供了基础。

关键词：太阳能驱动水蒸发还原石墨烯海藻酸钙凝胶膜分形多孔介质热传导率

聚异丙基丙烯酰胺基复合温敏水凝胶的制备及其太阳能驱动水收集性能研究

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聚异丙基丙烯酰胺基复合温敏水凝胶的制备及其太阳能驱动水收集性...

作者：王蒙桂林电子科技大学

学位级别：硕士

太阳能驱动水蒸发技术是解决水资源短缺问题的有效方法之一。它依靠太阳能和光热转换材料促进水蒸发,实现水的收集和净化。这种技术避免了传统水处理中昂贵设备和化学品的使用,具有环保、可持续的特点。水凝胶具有高度亲水性和易于功能... 详细信息

太阳能驱动水蒸发技术是解决水资源短缺问题的有效方法之一。它依靠太阳能和光热转换材料促进水蒸发,实现水的收集和净化。这种技术避免了传统水处理中昂贵设备和化学品的使用,具有环保、可持续的特点。水凝胶具有高度亲水性和易于功能化的特性,能够满足高效太阳能驱动水蒸发技术的需求。然而,在实际应用中,基于水凝胶的太阳能驱动水蒸发系统需要高能量输入以实现水的蒸发-冷凝收集,限制了技术的推广和使用范围。针对这一问题,本文选择具有温度敏感性的聚异丙基丙烯酰胺为基体,以聚丙烯酰胺提高溶胀性能,制备了高效稳定循环性能的水凝胶基太阳能驱动水蒸发材料。以聚丙烯酰胺为添加剂、聚乙二醇为成孔剂,通过“一锅法”制备了聚异丙基丙烯酰胺/聚丙烯酰胺/聚乙二醇复合水凝胶。纯的聚异丙基丙烯酰胺凝胶溶胀率和机械性能差,在不损失温敏特性的情况下复合凝胶的溶胀性能从2021%提升至3688%,且机械性能明显加强。聚乙二醇的加入使得凝胶内部孔洞增加,释放水的速度加快。添加光热材料后复合水凝胶在1 k W m的光强下水收集速率达到10.33 kg m h。选用聚多巴胺和海藻酸钠作为过滤材料,制备出聚异丙基丙烯酰胺/聚丙烯酰胺/聚多巴胺/海藻酸钠凝胶。凝胶中存在的聚多巴胺和海藻酸钠层,不仅赋予其光热转化能力,还能进一步提升凝胶的机械性能。在9次80%压缩循环测试后,凝胶仍能够快速恢复原貌。实验结果显示,该凝胶的吸光率达到了97.99%,光强为1 k W m时,仅需600秒即可达到临界温度（LCST）。同时,凝胶的水收集速率为9.8 kg m h,其性能稳定性良好,经过30次循环测试,水收集速率基本不发生变化。另外,该凝胶在高水收集性能情况下还具备染料去除、油水分离等净水能力。利用三聚氰胺海绵作为亲水性支撑骨架,制备了一种快速回复型的聚异丙基丙烯酰胺/聚丙烯酰胺/三聚氰胺复合水凝胶。三聚氰胺海绵骨架减小了异丙基丙烯酰胺凝胶的体积变化率。与纯聚异丙基丙烯酰胺凝胶相比,在LCST以上,该凝胶体积变化率从约80%降低到约23%,并且在相同时间内的体积回复率从37%提高到100%。加入光热材料后,复合水凝胶不仅具有去除重金属和染料的能力,而且在1 k W m的光强下能以4.33 kg m h的速度释放水,连续12h的溶胀-蒸发循环测试结果显示,产水量达到22.59 kg m。相较于传统水凝胶,温敏水凝胶能够以更快的速度释放水,提高水收集率,增强了太阳能驱动水蒸发系统的能力。更为重要的是,通过对亲水性聚合物进行设计优化,提高了水凝胶的溶胀性能和机械性能,同时赋予其去除重金属离子、有机染料、水包油乳液的能力,从而增强了水凝胶的适用性和有效性。

关键词：太阳能驱动水蒸发温度敏感性水凝胶水处理低能量输入

基于单宁酸构建抗生物污损型太阳能水蒸发材料的研究

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基于单宁酸构建抗生物污损型太阳能水蒸发材料的研究

作者：许昊合肥工业大学

学位级别：硕士

水资源短缺是可持续发展的关键问题。太阳能驱动的水蒸发技术因其利用无污染的太阳能,被认为是一种绿色环保、可持续的缓解水资源短缺的策略。目前太阳能光热水蒸发技术主要关注通过材料的组分和结构来提高太阳能利用效率和水蒸发速率... 详细信息

水资源短缺是可持续发展的关键问题。太阳能驱动的水蒸发技术因其利用无污染的太阳能,被认为是一种绿色环保、可持续的缓解水资源短缺的策略。目前太阳能光热水蒸发技术主要关注通过材料的组分和结构来提高太阳能利用效率和水蒸发速率。然而,在实际应用中,自然水体中的细菌等微生物的生长会在蒸发材料的表面和内部产生污垢,造成的孔道结构阻塞会显著降低其蒸发能力。因此,本论文主要关注蒸发材料的界面与结构优化设计,提升水蒸发速率和抗生物污损能力,对开发可持续利用、高效的水蒸发材料具有指导意义。天然白橡树具有大量稳定的单宁化合物,赋予了其优异的抗虫蛀、抗霉变等特点;此外,其垂直取向的孔道结构加快了营养物质和水分传输,表现出优异的蒸腾作用。本论文首先通过模仿天然白橡树的结构和抗菌组分,设计了具有抗生物污损和耐盐析能力的仿生橡树气凝胶。我们通过冰模板法结合冷冻干燥技术制备了具有垂直取向孔道结构的壳聚糖气凝胶,利用其优异的水下形状记忆功能成功地修饰了单宁酸涂层,然后通过单宁酸与铁离子的螯合配位作用在复合气凝胶的顶端制备了一层光热层,最终设计了一种模仿天然橡树的太阳能光热水蒸发材料。该蒸发材料在一个太阳光照射强度下水蒸发速率为1.96 kg mh。由于单宁酸涂层优异的抗生物污损能力,其在高浓度的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌菌液培养三天后,水蒸发速率仍能够保持原始速率91.8%、86.7%和89.3%;相比之下,没有抗生物污染性能的类似气凝胶在微生物菌液培养后的蒸发速率仅为原始的65.6%、61.4%和63.0%。此外,该蒸发材料具有优异的抗盐析能力,实验结果表明其在人工海水中连续工作12 h和循环工作15次,水蒸发速率仍能够保持1.95 kg mh。单宁酸不仅能提供优异的抗生物污损能力,其丰富的多酚基团对各种材料具有优异的亲和性,可以用于表面功能化的界面强化。此外,酚羟基团长时间暴露在含氧环境中容易氧化为醌基,影响抗生物污损性能。因此为了实现水蒸发材料在实际水环境中更持久高效的抗生物污损能力,我们以湿环境下可长期保持稳定结构的宣纸为基底进行设计,利用单宁酸对宣纸表面优异的亲和力和对金属离子的螯合作用,在宣纸上原位合成了同时具有光热和抗生物污损性能的硫化银纳米颗粒。根据扫描电镜和元素分析等结果显示,单宁酸介导的硫化银纳米颗粒粒径均匀,能够致密的包覆在宣纸表面并在水中保持稳定,相对于直接在宣纸表面合成硫化银颗粒的含量提升了近2倍,且直接生成的硫化银纳米颗粒容易在宣纸表面发生团聚,并在使用中产生损耗,严重影响水蒸发材料的性能。单宁酸介导的硫化银纳米涂层显著提高了材料的抗生物污损和水蒸发能力,其在高浓度的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌菌液培养后能够保持原有的水蒸发速率。此外,由于宣纸优异的柔韧性和纳米涂层的稳定性,其可以被折叠为3D结构提高对太阳光的能量利用率和蒸汽溢出面积,最终使水蒸发速率提高至2.62 kg mh。

关键词：太阳能驱动水蒸发单宁酸抗生物污损

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碳纳米管海绵在太阳能水蒸发中的应用

碳纳米管海绵在太阳能水蒸发中的应用

作者：王闯苏州大学

学位级别：硕士

淡水资源短缺是人类社会的一项重大危机。地球表面的71%被海洋覆盖,将海水淡化是解决水资源短缺的重要途径。太阳能作为清洁可再生的能源有着分布广泛和使用成本低等优点,使用太阳能驱动海水淡化已得到广泛研究。作为一种特殊的碳纳米材... 详细信息

淡水资源短缺是人类社会的一项重大危机。地球表面的71%被海洋覆盖,将海水淡化是解决水资源短缺的重要途径。太阳能作为清洁可再生的能源有着分布广泛和使用成本低等优点,使用太阳能驱动海水淡化已得到广泛研究。作为一种特殊的碳纳米材料,碳纳米管（Carbon Nanotube,CNT）具有较高的电导率、较大的比表面积、优良的导热性、良好的机械性质以及优秀的光吸收能力,在海水淡化、能量存储、化学分离等领域有着较大的应用潜力。作为三维碳纳米管材料,碳纳米管海绵（Carbon Nanotube Sponge,CNTS）与垂直取向碳纳米管阵列（Carbon Nanotube Array,CNTA）对太阳光谱带（300-2500 nm）有着超过95%的吸收率以及优良的机械性能。但是CNT的高疏水性极大地限制了 CNTS与CNTA作为吸光材料在太阳能驱动水蒸发中的应用。为了提高CNTS及CNTA的亲水性,使其作为太阳能驱动水蒸发的光吸收材料,本文做了以下工作:（1）使用电润湿的方法在保留CNTS原有结构的情况下在CNTs表面引入了含氧集团,降低了水/CNTs的界面张力,提高了水在CNTs中的润湿性。含氧基团的存在同时降低了 CNTS内水的蒸发焓,在一个模拟太阳光照射下电润湿CNTS的水蒸发速率达到2.4 kg m h。之后将界面太阳能蒸发系统的设计理念引入本实验,使用石蜡封装不对称修饰然后通电润湿的方法,实现了 CNTS的部分亲水,制备了具有原始疏水上层和电亲水下层的双亲CNTS。在此基础上,我们探究了在保持双亲CNTS总体厚度不变时光吸收层与输水层厚度的比例对器件光热蒸发速率的影响,最终确定了dtop/dbottom=0.8 mm/3.8 mm的双亲CNTS蒸发性能最佳,在一个模拟太阳光下达到3.0 kg m h的蒸发速率和95%的光热转换效率。（2）采用电聚合的方法成功地以CNTS与CNTA为基底制备了 PPy@CNTS与 PPy@CNTA,实现了 PPy 对 CNTs 的良好包覆。PPy@CNTS 与 PPy@CNTA复合材料具有超过97%的太阳光吸收率,同时PPy的存在提高了器件的光热转换能力。电聚合降低了水/复合材料间的界面张力,并将亲水基团引入到材料表面,降低了复合材料中水的蒸发焓。在此基础上,我们探究了不同浓度的吡咯溶液及不同的电聚合时间对器件蒸发性能的影响,制备的PPy@CNTS与PPy@CNTA可达到3.35 kgm h与3.41 kg m h的光热蒸发速率以及94.3%以及94.2%的光热转换效率。

关键词：碳纳米管海绵碳纳米管阵列电润湿聚吡咯太阳能驱动水蒸发

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甘蔗生物质炭在界面太阳能海水淡化中的应用

华南师范大学学报（自然科学版） 2024年第1期56卷 44-52页

作者：何乃如田子谕王伟桓茜靳浩斌白帅丽陕西科技大学机电工程学院西安710021 陕西工业职业技术学院航空工程学院咸阳712000 西安工业大学光电工程学院西安710021 武汉工程大学机电工程学院武汉430205

太阳能驱动的界面水蒸发作为环保、高效、可持续的海水淡化技术,在近年来受到广泛关注。快速的水运输、高效的光热转换是实现持续、稳定蒸发的关键。多级孔道的生物质衍生蒸发器在太阳能水蒸发应用中展示出高效、环保、可持续的应用潜... 详细信息

太阳能驱动的界面水蒸发作为环保、高效、可持续的海水淡化技术,在近年来受到广泛关注。快速的水运输、高效的光热转换是实现持续、稳定蒸发的关键。多级孔道的生物质衍生蒸发器在太阳能水蒸发应用中展示出高效、环保、可持续的应用潜力。以废弃的甘蔗节为原料,利用冷冻干燥和高温碳化工艺制备了具有天然多级孔道结构的生物质基蒸发器,并研究了材料的光吸收、水运输和蒸发性能以及不同风速下对流空气对蒸发器的蒸发性能和热损失的改善作用。结果表明:具有发达的多级孔道结构的生物质基蒸发器展示出了高达92.8%的太阳光吸收率。在一倍太阳光强下展示出1.55 kg/(m^(2)·h)的蒸发速率和77.6%的光热转换效率。此外,在风速2 m/s的条件下,蒸发器的蒸发速率展示出了高达2.27 kg/(m^(2)·h)的蒸发速率和91.6%的光热转换效率,显示了对流效应对淡水产出速率的增强和对热损失的抑制作用。

关键词：太阳能驱动水蒸发空气对流多级孔道结构生物质材料

多孔氮掺杂碳基复合材料的制备及其能源转换应用研究

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多孔氮掺杂碳基复合材料的制备及其能源转换应用研究

作者：石炎颖鲁东大学

学位级别：硕士

能源短缺和环境污染是当前人类面临的两大主要问题,发展清洁高效的能源转换和储存技术是解决这两大问题的关键。具有比表面积大、来源广、成本低,化学稳定性好等优点的多孔氮掺杂碳基复合材料在光热转换、光电转换、光催化和电化学等领... 详细信息

能源短缺和环境污染是当前人类面临的两大主要问题,发展清洁高效的能源转换和储存技术是解决这两大问题的关键。具有比表面积大、来源广、成本低,化学稳定性好等优点的多孔氮掺杂碳基复合材料在光热转换、光电转换、光催化和电化学等领域受到诸多研究者的广泛关注。本论文合理设计和制备了碳化三聚氰胺泡沫(CMF)基复合材料用于光热转换水蒸发和热发电;设计和制备了a相二氧化锰/质子化氮化碳(a-MnO/pg-CN)复合材料用于超级电容器和光催化。论文的主要研究内容如下:1.利用取之不尽、用之不竭的太阳能进行太阳能驱动的水蒸发技术有望解决饮用水不足的问题。面对当前光热转换效率低的问题,设计并组装了CMF@Ag基光热转换材料,并用于太阳能驱动的水蒸发器,该器件将三聚氰胺泡沫(MF)海绵作为吸水层和隔热层,CMF作为骨架结构和光吸收材料之一,MF和CMF的多孔结构不仅保证了水的输送,而且使入射光的散射得到最大限度的利用,特别是当多孔空间中充满水时,光散射增强。其次,该器件结合了CMF的多孔结构和纳米Ag的等离子共振效应的优点,增强了在500-600 nm波长范围内对光的吸收能力,实现了高效的太阳能驱动的水蒸发。更重要的是,该装置的三维结构除了直接吸收太阳光外,还能从周围环境吸收额外热量。在1.0 k W m的太阳光下照射1 h,器件的表面温度可以达到35℃。在自来水体系下器件水蒸发性能良好,光热转换效率达到102.99%,在湿沙体系下水蒸发性能更佳,光热转换效率达到119.46%,表明器件具有从不同水源中获取清洁水的能力,为解决湿地和半干旱地区的饮水问题提供参考。2.在光热转换水蒸发过程中会产生许多热损失,导致太阳能利用率低。为了进一步降低光热转换材料的成本,并且充分利用热能,设计并组装了一种柔性三维CMF/Cu@CuS双功能水蒸发装置,用廉价的Cu取代第一部分工作中的Ag,进一步降低了光热转换材料的成本,组装的器件具有良好的光热转换性能。另外,CMF/Cu@CuS器件不仅实现了光热转换水蒸发,而且还可以同步实现光热转换发电,实现了热电联产双功能。在光热转换水蒸发过程中,吸光层材料会产生较高的热,和底层的体相水形成较大的温差,从而可以利用塞贝克效应(Seebeck)实现热电转换。研究表明,当装置实现了水蒸发与发电一体化时,2D器件发电性能明显优于3D器件,在1.0 k W m的太阳光下照射1 h,2D器件的输出功率可以达到44.36mm cm,3D器件的输出功率仅为1.53mm cm。另外,器件表面温度低于单一功能的水蒸发器件的表面温度。表面温度的降低使得器件更有利于从外界获取热量,从而减少热损失。3.超级电容器是一种绿色、高效的将化学能转换为电能的储能装置,开发稳定耐用的电极材料具有重要意义。将质子化的g-CN(pg-CN)纳米片和α-MnO纳米管进行原位结合,设计并制备了α-MnO/pg-CN三维结构多孔复合材料。提出并证明了pg-CN纳米片与a-MnO纳米管之间是以氢键相连。将其用作超级电容器电极材料,在1 A g的电流密度下,α-MnO/pg-CN电容可以达到348.4 F g,在多次充放电过程中,α-MnO/pg-CN结构完整,器件的循环使用寿命非常良好。另外,原位复合的α-MnO和pg-CN之间成功地构筑了Z型异质结,从而降低了电子和空穴的复合几率。通过一系列实验系统地评价了异质结的物理化学性质,研究了复合材料在可见光下降解罗丹明B(Rh B)和苯酚的能力,在光照60 min后,对Rh B的降解率达到98.8%,在光照120 min后,对苯酚的降解率达到93.8%,实现了α-MnO/pg-CN复合材料的多功能应用,从而有望促进α-MnO/pg-CN复合材料的进一步发展。

关键词：氮掺杂多孔碳基复合材料能源转换太阳能驱动水蒸发超级电容器光催化