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碳点基光热转换材料的制备及其太阳能驱动水蒸发性能研究

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碳点基光热转换材料的制备及其太阳能驱动水蒸发性能研究

作者：郭泽宇中北大学

学位级别：硕士

面对水污染日趋严重,淡水资源极度短缺及能源短缺等问题,广大科研工作者开发各种先进的材料和技术,从盐水甚至污染的水中获得淡水。但是大多数现有的净水技术如反渗透或低温多效蒸馏技术等都存在能耗高、制作工艺复杂、蒸发速率低等问... 详细信息

面对水污染日趋严重,淡水资源极度短缺及能源短缺等问题,广大科研工作者开发各种先进的材料和技术,从盐水甚至污染的水中获得淡水。但是大多数现有的净水技术如反渗透或低温多效蒸馏技术等都存在能耗高、制作工艺复杂、蒸发速率低等问题。而太阳能驱动水蒸发具有低能耗、体积小、制作简单、蒸发速率高等优点,因此,被认为是可持续应用的技术之一。本文主要基于碳点(CDs)作为光热转换材料具有成本低、易合成、环境友好等优势,设计合成了二元和三元的碳点基光热转换材料,通过太阳能驱动水蒸发测试研究了复合结构的光热转换特性,具体研究内容如下:第一,基于聚多巴胺(PDA)宽光谱吸收特性,在多巴胺(DA)聚合生成PDA的过程中加入CDs,合成了一种低成本、环保的PDA修饰CDs的光热转换材料(CDs/PDA)。结果表明,CDs与DA两者表面的官能团发生了相互作用,该相互作用不仅大大加速了DA的氧化聚合以及氧化形成的PDA在CDs表面的沉积,而且有效促进了光生电子和空穴的高效分离,抑制了光生电子空穴对辐射复合,从而提升了CDs/PDA的光热转换性能。在1 k W m模拟太阳光照射下,CDs/PDA的水蒸发速率能达到1.82 kg m h,效率达到74.4%,比纯CDs的水蒸发速率提高约15.9%,比纯PDA提高约15.2%。第二,基于CDs在可见光和磷酸铜(Cu(PO))在近红外区域有良好吸收性质,我们通过水热法设计合成了CDs/Cu(PO)光热转换材料,在1 k W m模拟太阳光照射下测试水蒸发速率,结果表明CDs/Cu(PO)的水蒸发速率能够达到1.64 kg m h。较纯CDs提高了约11.6%;较Cu(PO)提高了约10.1%。基于羟基磷灰石(HA)具有良好隔热性的考虑,在制备CDs/Cu(PO)的过程中引入HA纤维。但是,太阳能驱动水蒸发测试表明,合成的HA/CDs/Cu(PO)复合样品光热性能没有显著提升。我们猜测可能是HA的引入虽然可以增加复合结构的表面粗糙度以及减少热损失,但是同样导致了样品的光吸收能力的降低,造成所得样品的水蒸发速率没有明显提高。如何有效设计组成以获得高光热转换效率的光热转换材料,将在后续研究中进一步展开。

关键词：碳点复合体系光热转换水蒸发

基于生物质碳材料的太阳能光热驱动水蒸发研究

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基于生物质碳材料的太阳能光热驱动水蒸发研究

作者：沙畅畅南京理工大学

学位级别：硕士

当前,全球的淡水资源正面临短缺的问题,而大量的海水资源与污水成为未来清洁水的可能来源,然而常规的海水淡化与污水处理需要大量的电力成本的投入,且这些处理方式还可能造成二次污染。基于此,太阳能光热驱动的清洁水生产技术成为了国... 详细信息

当前,全球的淡水资源正面临短缺的问题,而大量的海水资源与污水成为未来清洁水的可能来源,然而常规的海水淡化与污水处理需要大量的电力成本的投入,且这些处理方式还可能造成二次污染。基于此,太阳能光热驱动的清洁水生产技术成为了国内外的研究热点。该技术的核心为光热转换器件,目前大多数高效率的光热转换器件具有制备过程复杂、原材料昂贵、不宜大规模制备生产等问题,制约着该技术的进一步探索及未来在水处理行业的应用。因此,来源丰富、价格便宜、制备简单易扩展、光热效率高、能重复使用等优点的生物质碳材料成为最有希望的光热转换器件之一。本文受到自然界植物的蒸腾作用的启发,使用生物质碳材料作为光热转化器件。首先,用常规的管式炉惰性气氛碳化法制备不同碳化温度的藕生物碳,发现藕生物碳的光热水蒸发速率随着碳化温度的增加而增加,但即使在900°C的高温下,藕生物碳的光-水蒸气转换效率在1 sun(1000 W?m)的光照强度下也只达到了61.3%,水蒸发速率为1.2 kg?m?h,并没有远高于其他生物质碳材料。为了提高其光热性能,通过增加其高度来制备3D藕生物碳,由于藕固有的宏观孔隙大大地增加了其侧面表面积,因此其暗蒸发表面积增加不仅提高了总的水蒸发速率,且由于暗蒸发带走了一部分热量使得其整体表面温度下降从而降低了热损失,因此高度为7 cm藕生物碳光热转换器件的光-水蒸气效率较于二维的光热转换器件提高了11%。然而,藕生物碳的制备过程中需要冷冻干燥预处理以去除其内部水分,因此想要获得实际的应用仍较为困难。其后,考虑到玉米芯的价格更为低廉,且其亲水性很强,因此以农业废弃物玉米芯作为原材料,在同样的碳化方式下制备了不同碳化温度的玉米芯生物碳,发现在1 sun的太阳光照强度下,800°C碳化的玉米芯表现出93%的光-水蒸气转换效率,远超过大部分已探索的生物质碳材料,且玉米芯在碳化过程中并不需要冷冻干燥预处理,因此更加有望被大规模制备且应用。考虑到所使用的常规的管式炉惰性气氛碳化方法虽可以用以制备不同生物质来源的碳材料,却有着能耗高、污染大及副产物多等问题,在最后,本文又以农作物棉作为原材料,用平板加热接触碳化的方法制备了棉基生物碳,借助材料的各表征手段对比分析了不同碳化方法对于光热器件效率的影响,发现两种碳化方法制备的棉基生物碳光热转化器件的效率的差距很有限。然而相较于常规的管式炉惰性气氛碳化方法,平板加热接触碳化法不仅制备时间更短,需要的电力消耗更少,而且设备无需清洗。目前基于生物质碳材料的光热水蒸发系统结构大多是传统的漂浮式结构,产生的热损失较大,因而限制了其实际的应用。为了进一步提高系统的水蒸气产生速率,使得生物质碳材料作为光热器件的太阳能光热水蒸发系统应用范围更广,本文先在制备玉米芯生物碳STCD(光热转换器件)的基础上使用棉芯作为一维水通道低成本地改进了DSSG(太阳能光热驱动水蒸发系统)的热管理,使得DSSG整体的能量利用效率更高,其中,棉芯(直径为8 mm)构成的一维水通道可将蒸发速率提高到传统漂浮式的1.57倍。然后,在棉基生物碳作为STCD的研究的基础上,以圆柱状棉为系统的支撑材料及水运输通道,通过提高棉柱的高度来增加暗蒸发表面积以提高系统能量利用效率,高度为6 cm的棉柱水通道器件的DSSG系统由于引入冷蒸发表面将水蒸发效率提高到2 kg?m?h,使得生物质碳材料在实际应用中获得更多的可能性。此外,本文在现有的“喷雾蒸发”技术的基础上,引入了本文所制备的生物质碳材料代替原有的热空气分离室,设计出更加小型、简便且高效的DSSG系统,以棉基生物碳作为光热转换器件,该系统在1 sun的光照强度下达到了2.05 kg?m?h的水蒸发速率。

关键词：热处理生物质光热转换太阳能水蒸发

载银碳纳米管聚乙烯醇水凝胶的制备及其水蒸发性能研究

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载银碳纳米管聚乙烯醇水凝胶的制备及其水蒸发性能研究

作者：陈天宇浙江农林大学

学位级别：硕士

碳纳米管（CNTs）因其特有的空心管状结构和优异的理化性能被广泛应用于催化、抗菌和传感等领域。近年来,CNTs技术的快速发展为金属颗粒在碳纳米管孔道中的高效组装开辟了一条新途径,使得碳纳米管的孔道限域体系中的功能得到极大提升。... 详细信息

碳纳米管（CNTs）因其特有的空心管状结构和优异的理化性能被广泛应用于催化、抗菌和传感等领域。近年来,CNTs技术的快速发展为金属颗粒在碳纳米管孔道中的高效组装开辟了一条新途径,使得碳纳米管的孔道限域体系中的功能得到极大提升。将纳米银粒子组装进碳纳米管管腔内部可以获得拥有非常优异的光吸收和光热转化效率的光热材料。本文以安全、高效、绿色的制备理念为出发点,采用绿色环保的试剂作为还原剂,利用化学还原法制备纳米银粒子,将大管径多壁碳纳米管（MWCNTs）作为载体通过混酸氧化的方式打开端口并利用毛细作用将纳米银粒子组装到碳纳米管的管腔内部从而获得有着高效光吸收性能的光热材料载银碳纳米管Ag@MWCNTs。选择聚乙烯醇（PVA）作为光热材料的载体,将所制备的Ag@MWCNTs光热材料复合到聚乙烯醇水凝胶中成功制备了具有优异光热效应的载银碳纳米管聚乙烯醇水凝胶并将其应用于高效的太阳能水蒸发,其蒸发效率可达到95.28%,蒸发速率达到了1.92kg·mh。本文的具体研究内容如下:（1）采用了一种简单、高效、绿色的化学还原法制备得到形状规则且粒径分布均一的纳米银粒子,并通过原位还原法将其组装在MWCNTs内部复合形成一种新型的光热材料Ag@MWCNTs,并通过TEM、XRD等表征手段对其形貌、结构进行表征。研究结果表明纳米银粒子成功组装到MWCNTs的管腔内,同时纳米银粒子的粒径在30 nm左右,且分布均匀。（2）通过物理交联循环冷冻-解冻法,将制备的Ag@MWCNTs光热材料复合到聚乙烯醇水凝胶中,制备得到了Ag@MWCNTs/PVA光热水凝胶。利用SEM、TGA等表征手段对复合水凝胶的形貌、结构进行表征,同时对该光热水凝胶进行水蒸发测试。研究结果表明Ag@MWCNTs/PVA水凝胶有着优异的吸光性能,其中固含量为1.5 mg/ml时的水凝胶蒸发速率为1.92 kg·mh,蒸发效率为95.28%。同时以Ag@MWCNTs/PVA水凝胶设计制备的蒸发器在水蒸发、海水淡化等应用方面都具有巨大的潜力。

关键词：碳纳米管纳米银聚乙烯醇水蒸发

基于碳点的组装体的设计合成及其在电催化甲醇氧化与水蒸发中的应用

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基于碳点的组装体的设计合成及其在电催化甲醇氧化与水蒸发中的应...

作者：涂雯璟苏州大学

学位级别：硕士

全球能源危机和清洁水短缺是现代社会面临的两个严峻的挑战,致使科学家们努力寻求高效的能源转换方式和净化水技术。其中,直接甲醇燃料电池（DMFC）由于使用便携的液体甲醇为燃料,具有无污染、低温可操作、能量密度高等特点,拥有广阔的... 详细信息

全球能源危机和清洁水短缺是现代社会面临的两个严峻的挑战,致使科学家们努力寻求高效的能源转换方式和净化水技术。其中,直接甲醇燃料电池（DMFC）由于使用便携的液体甲醇为燃料,具有无污染、低温可操作、能量密度高等特点,拥有广阔的应用前景。贵金属铂被认为是电催化甲醇氧化高效的电催化剂,但铂基催化剂价格昂贵、易被表面吸附的中间碳质物质毒化等特点限制了它们的应用。因此,减少铂金属含量或发展可替代的高效、廉价的催化剂是可行的解决方案。此外,太阳能是一种天然丰富且可持续的能源,是可再生技术发展中最具潜力的自然资源。太阳能驱动界面水蒸发的研究集中于对界面水进行局部加热以产生蒸汽,使其在海水淡化、废水处理、发电等领域已取得重大进展。但是,目前大多数蒸发器仍然需要昂贵的前驱体,复杂的制造工艺,极大地限制了其商业化发展。在这种情况下,开发低成本,可规模化生产且便于携带的蒸发器,同时要求其能实现良好的太阳光吸收、高效的热管理和具有便于水传输和蒸汽逃逸的结构极富挑战性。本工作中,基于碳点表面含有丰富的官能团,具有较好的光吸收能力等特点,设计并合成了基于碳点（CDs）的复合物,并探究其在储能与转化装置中的作用,为开发低成本、高活性的直接甲醇燃料电池阳极催化剂以及高效的水蒸发器提供新思路。研究了 Pt-CoOOH-CDs/C复合物电催化甲醇氧化的性能,以及聚乙烯醇/碳点复合微凝胶和碳点自组装成的碳纤维作为光热材料在局域热水蒸发中的性质,并对相应的机理进行了讨论。具体内容如下:（1）通过沉淀法和光还原法制备了具有低Pt含量（13 wt%）的Pt-CoOOH-CDs/C催化剂,并通过电化学方法表征其催化甲醇氧化的性能。结果显示,此复合催化剂在电催化甲醇氧化反应中具有高活性（856.3 mA mg-1Pt）,高稳定性（3小时）和良好的抗中间产物毒化的能力。在该催化体系中,Pt纳米颗粒为活性中心吸附甲醇分子;CoOOH-CDs为助催化剂,其能将相邻Pt位上的中间产物氧化为CO2;炭黑为载体,提高复合体系的导电性。各组分协同作用从而使Pt-CoOOH-CDs/C电催化剂显示出高效的电催化甲醇氧化的催化活性。（2）以聚乙烯醇（PVA）微凝胶为骨架并以还原碳点（rCDs）为吸光物质来构建局预热水蒸发器。利用氙灯作为太阳光模拟器来测试蒸发器的水蒸发性能。实验结果表明,以聚乙烯醇/碳点复合微凝胶（PCM）所构建的蒸发器在低太阳光功率（0.5kWm-2）下,具有-较高的蒸发速率,达1.58kgm-2h-1。进一步收集蒸发出的水蒸汽,测得的离子浓度符合饮用水标准。再将蒸发器与正渗透过程结合来构建“人工树”,实现水抗重力垂直传输,并将太阳能以势能的形式存储。（3）开发基于碳点的高效水蒸发器。以电解法获得碳点溶液作为原料,通过液氮快速冷冻并干燥,自组装成碳纤维,进一步在管式炉中煅烧来制备蒸发器的光吸收材料。该纤维具有丰富的孔道结构,其利于太阳光吸收;同时,有利于水传输和蒸汽逸出。水蒸发性能测试表明:该蒸发器具有较高的水蒸发速率,在1kW m-2的太阳光功率下具有2.07kgm-2h-1的蒸发速率。

关键词：碳点甲醇氧化电催化剂水蒸发局域热

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钨基光热材料的制备及其在水蒸发领域的应用

钨基光热材料的制备及其在水蒸发领域的应用

作者：崔溢桐哈尔滨师范大学

学位级别：硕士

随着科技的发展,人类生活水平的提高,生活环境受到了严重的破坏。解决环境问题是人类发展的当务之急。在环境问题中,水资源短缺是人类所面临的重要挑战之一,其对可持续的经济发展和社会进步构成了越来越严重的威胁。人口的快速增长、气... 详细信息

随着科技的发展,人类生活水平的提高,生活环境受到了严重的破坏。解决环境问题是人类发展的当务之急。在环境问题中,水资源短缺是人类所面临的重要挑战之一,其对可持续的经济发展和社会进步构成了越来越严重的威胁。人口的快速增长、气候的不断变化和工业与生活污染的随意排放等现象,都加剧了淡水短缺的状况。众所周知,虽然地球上有丰富的水资源,但其中的百分之九十七的水是海水,但这些水并不适合直接饮用,也不适合家庭或工业使用。因此,开发高效、便捷的水净化技术,从海水、工业废水和生活污水中提取淡水具有重要意义。现有的海水净化技术有热蒸汽压缩、反渗透、多级蒸馏与电渗析法等。但是他们都有一定的不足,这些技术要耗费资金大、耗能高,容易对环境产生污染。这对于偏远地区和一些贫困不发达的国家是不适用的。因此,解决水净化效率和能源消耗之间的矛盾成为可持续淡水生产的一个亟需解决的问题。正确、高效的利用太阳能驱动的界面水蒸发,是破解这些困难的一个全新的、绿色的与更有效的方法。太阳能驱动的界面水蒸发技术依靠热转化性能良好的光热材料,不过目前的这些光热材料还是具有很多缺点,如何提高光热转换效率与如何增强光热稳定性是研究人员要解决的重要难题。同时,用于太阳能驱动的水蒸发光热膜的选择是水蒸发实验中重中之重,光热膜因其制备工艺复杂,水蒸发效率低和成本高等不足,限制了其在实际生活生产中的应用。针对以上问题,本论文制备了一些列钨基光热材料,通过离子掺杂或氢气还原来增强光热转换性能,将其沉积于不同的水凝胶膜表面,构建了三种不同的水蒸发器,实现可海水淡化与废水净化。具体研究内容如下:(1)采用水热法合成钨酸镍,并在氢气/氩气的混合气氛下进行还原处理,得到了钨镍合金(NiW)。将钨镍合金与冰粉(Bing)及琼脂(Agar)混合,采用浇铸法合成光热膜。借助钨镍合金优异的光热性能和光热膜的多孔结构,使得钨镍合金@冰粉@琼脂具有较好的水蒸发性能。通过调整加入琼脂和冰粉质量的比例,测试了不同光热膜在水中的水蒸发性能。同时,此光热膜还可用于海水淡化、重金属离子溶液的净化以及染料废水的净化。(2)在钨酸镍的基础上进行铁掺杂并在氢气/氩气的气氛下进行还原处理,得到了三元的镍钨铁(FeNi@W)合金。通过物理搅拌的方法将聚乙烯醇(1799型)和植酸水溶液混合,构建了FeNi@W@PVA-PA 1.25水凝胶光热膜。该水凝胶在单太阳光的照射下,实现了高效的界面水蒸发。FeNi@W@PVA-PA 1.25水凝胶光热膜还可以通过太阳能驱动水蒸发技术将工业废水中的有毒的重金属离子和染料去除,在海水淡化方面也展现出优异的性能。在钨酸镍的基础上进行铜掺杂,在氢气/氩气的混合气氛下对其进行还原处理,得到了三元的镍钨铜(CuW@NiW)合金。将该合金与明胶(Gelatin)和琼脂(Agar)混合,得到了浇铸法合成CuW@NiW@明胶@琼脂光热膜。该光热膜除了有优异的光吸收能力,还具有稳定的、可运输水的多孔结构,因此CuW@NiW@明胶-琼脂光热膜具有优异的水蒸发能力,通过优化明胶与琼脂的混合比例可有效地增加光热膜的光热转化效率。该光热膜可应用于含重金属离子或染料废水的净化与海水净化。此外,在海水淡化的过程中,该光热膜具有良好的耐盐性,证明其在海水淡化方面具有巨大的应用潜力。

关键词：钨酸镍合金掺杂光热转换水蒸发