超浸润光热材料的构筑及其多功能应用研究

随着工业社会的不断发展,不同行业对于超浸润材料的功能提出了更高的要求,超浸润材料向多功能化或智能化转型成为其发展的必然趋势。同时,在人们对环境问题日益重视的背景下,符合环保可持续、高效、低耗的新技术受到关注,具有光热效应的超浸润材料作为实现油水分离、海水淡化及太阳能蒸发等领域的新兴产品而成为研究热点。本文首先介绍了近年来碳基、有机物基、半导体基及复合型超浸润光热材料构筑的研究现状并对其局限性进行了分析,然后梳理并详细论述超浸润光热材料在防覆冰、海水淡化、油水分离等领域的应用进展及其作用机理,进而总结了其目前制备过程中存在的环境危害性等问题,并对功能性与智能型超浸润光热材料的发展趋势及研究路线进行了展望。     

太阳能海水脱盐中光热材料与蒸发装置的研究进展

用于海水脱盐的太阳能界面蒸发装置因其绿色环保、简单高效以及适用范围广等优点,受到了广泛关注。与传统的体积式蒸发装置不同,太阳能界面蒸发装置将太阳光的收集和蒸汽的产生锁定在空气-水的界面,无需从底部加热整体水来产生蒸汽,极大提高了能源利用效率。本文详细介绍了太阳能界面水蒸发装置的重要组成部分——光热材料的光热转换机理、材料种类以及材料的性能;探讨了高效海水净化太阳能蒸发装置的设计策略(增强光吸收、充足水供应、耐盐排盐等)。在此基础上,总结了基于界面蒸发中的太阳能蒸发装置的研究进展,展望了新型太阳能蒸发装置在海水净化领域的发展前景。     

网状骨架CVD生长碳纳米管用于重盐水脱盐

目前,太阳能海水淡化领域通过光子管理、纳米尺度热调控、开发新型光热转换材料、设计高效光吸收太阳能蒸馏器等方法实现了界面太阳能驱动蒸汽生成,这种绿色、可持续的脱盐技术已成为近年来的研究热点。碳基材料如碳纳米管、石墨烯、炭黑、石墨等都有涵盖整个太阳光光谱的光吸收能力,是一类新型的光热转换材料。本文通过对材料进行微结构设计,使用化学气相沉积(CVD)技术,在不锈钢网状骨架上生长碳纳米管形成光热转换活性区,以实现高效光吸收、光热转换,并进一步设计了房屋型太阳能蒸发器,其中盐水表面被微米网状-碳纳米管蒸发膜覆盖,利用光热转换过程产生的热量驱动重盐水中的水蒸发产生水蒸气,最后对水蒸气进行冷凝回收实现脱盐。实验结果表明,当光照强度为1个太阳光(1 kW·m~(-2))时,膜表面温度迅速升高并稳定于84.37°C,对于重盐水(100 g·L~(-1) NaCl)的脱盐率达到99.92%,可实现稳定持续的重盐水脱盐。这种方法可用于构建多孔界面光热转换脱盐系统,对设计界面光蒸汽转化膜材料及器件,实现规模化海水淡化具有重要的意义。     

基于Ti3C2-MXene的太阳能界面水汽转换

水资源匮乏是现代化发展中面临的全球性问题,太阳能界面水汽转换(Interfacial Solar Steam Generation, ISSG)是一种高效、绿色、低成本进行海水淡化和废水处理的方法。ISSG使用绿色的太阳能作为热源,通过光热转换并将热限制在水气界面上以高效产生蒸气,然后经过冷凝收集获得清洁水。设计和构筑具有强光吸收的光热转换材料是ISSG的技术核心。Ti₃C₂-MXene是一种新型二维碳化钛材料,具有比表面积大、水分散性好和光热转换效率高等优点,在ISSG领域具有巨大的应用潜力。本文介绍了ISSG技术和MXene,总结了光热转换材料的设计原则,论述了Ti₃C₂-MXene复合材料在ISSG领域的研究进展,其中包括二维MXene薄膜、三维MXene气凝胶和水凝胶、生物基-MXene复合材料的构筑和性能等,并分析了Ti₃C₂-MXene所面临的挑战和发展前景。     

聚乙烯醇载银海绵的制备及界面光热驱动水蒸发性能

利用光热材料的太阳能水蒸发技术是一种绿色、 环保地解决淡水资源短缺的重要技术, 但光热材料的制备成本、 蒸发效率和热损失等因素限制了其推广应用. 本文采用一锅法制备了聚乙烯醇载银海绵(AgNPs/PVA)太阳能界面蒸发器, 并研究了AgNPs含量对AgNPs/PVA在太阳能驱动水蒸发过程中光热性能的影响. 研究结果表明, 当AgNPs的质量为PVA的10%时, 制备的AgNPs/PVA在1 kW/m ²的太阳光强度下具有最优的蒸发速率, 水蒸发速率可达1.62 kg?m ^?2?h ^?1, 为纯水(0.42 kg?m ^?2?h ^?1)的3.9倍. 本文制备的AgNPs/PVA具有制备工艺简单、 亲水性能优良和蒸发性能良好的特点, 在太阳能驱动水蒸发领域具有较大的应用前景.     

石墨烯三维结构组装体制备及光热水蒸发和水处理研究进展

水资源短缺是世界长期面临的问题,当前全球80多个国家的约15亿人口面临淡水不足,其中26个国家的3亿人口完全生活在缺水状态。近年来,人们开发了新型太阳能界面水蒸发材料和技术,能够利用高效光热材料吸收太阳能转化为热能,实现大量的、快速的水蒸发,冷凝后收集便得到洁净水,是一种高效、绿色、低成本水处理和解决水资源短缺的方法。石墨烯三维组装体材料的物理和化学性质优异,光热转化效率高,同时其太阳光吸收率高,内部微纳孔道丰富,具有良好的水传输通道,表面水蒸发面积大,在太阳光照射下能够实现超高的水蒸发速率,在光热水处理方面展现了巨大的科学研究意义和实用价值。本文将综述石墨烯三维组装体的制备及光热水处理方面的研究进展,包括石墨烯三维结构组装体制备方法,其光热水蒸发性能,总结了石墨烯三维结构组装体在光热水蒸发及水处理方面的应用,最后分析了石墨烯三维结构组装体光热水处理面临的问题及展望。     

光热转换材料及其在脱盐领域的应用

光热脱盐技术在缓解水资源短缺和减少水环境污染等方面具有重要的应用前景,已吸引了各国研究者的广泛关注。光热脱盐主要是利用光热转换材料将吸收的太阳光能直接、高效地转化为热能,以蒸发水分实现含盐水脱盐和水质净化,其效率取决于光热转换材料的性能。本文综述了近年来太阳能光热转换材料如金属基材料、碳基材料、半导体材料、有机聚合物材料、复合光热材料的研究现状及其光热转换机理,并介绍了光热转换材料在脱盐领域的应用进展。基于上述分析,对光热转换材料在未来脱盐领域的研究前景进行了展望,提出应针对光热转换材料的低强度全光谱吸收和高效转化利用、光热稳定性和重复使用性提高,以及光热脱盐系统的热传递损失最小化和热量利用最大化等方面进行深入探析。     

低蒸发焓水凝胶用于太阳能驱动水净化

日益严重的水资源短缺和水体污染引发了人们对先进水净化技术的研究兴趣。太阳能驱动的界面蒸发利用清洁的太阳能来分离水和杂质,被认为是解决缺水和污染最环保、经济的技术。低蒸发焓水凝胶基光热转换材料由于其高蒸发速率、可加工性、可控性和多功能性,成为最有潜力的太阳能蒸发器材料。首先,本综述回顾了水凝胶的关键概念,这些概念证明了其在太阳能驱动的界面蒸发系统中的优势,如快速水传输和低蒸发焓;其次,总结了水凝胶的制备方法包括引入的光热材料以及水凝胶的设计策略,以提高水凝胶的整体性能。水凝胶蒸发器的多种功能在抗盐、光降解、杀菌和发电等方面得到了扩展。基于水凝胶的上述优势,本综述进一步提出了适用于实际使用环境的水凝胶蒸发器的设计概念和策略。     

多尺度Ag/CuO复合光热材料的制备及在海水淡化中的应用

采用原位化学反应和热处理相结合的策略,在泡沫铜表面形成丝线状与花瓣状的立体无机物阵列,然后在其表面蒸镀Ag纳米颗粒(NPs),成功制备了基于泡沫铜的Ag/CuO复合光热材料。该复合材料因表面三维立体阵列结构以及Ag NPs而具备较高的太阳光吸收率。故而,Ag/CuO复合光热材料结合三聚氰胺泡沫组成的蒸发器件实现了高效的海水淡化。本研究除了探索光陷阱深度和金属掺杂对吸收体光热转换效率增强之外,还搭建了太阳能驱动界面蒸汽生成测试系统,测试了样品的光热蒸发性能。在1倍太阳(1 kW·m~(-2))辐照下,该器件整体蒸发速率高达1.097 6 kg·m~(-2)·h~(-1),即其蒸发效率可达78.38%。     

共价有机框架膜的制备及其在海水淡化和水处理领域的研究进展

日益严重的水资源短缺和水资源污染问题是全球面临的挑战,大力发展海水淡化和水处理技术是缓解该问题的有效途径.近年来,能耗低、环境友好的膜分离技术被广泛用于海水淡化和水处理领域.共价有机框架（Covalent organic framework,COF）膜因其具有大小可控、化学性质可调的孔道,成为潜在的高性能膜分离材料.本综述详细介绍了COF膜合成方法学的研究进展,概述了COF膜在海水淡化和水处理领域的研究,并展望了其在海水淡化和水处理领域的前景和面临的挑战.     

MXenes复合材料的发展:界面调控及结构设计

MXenes作为一类新兴的二维材料, 因具有独特的亲水性、 优异的力学性能、 丰富的表面官能团、 高导电率、 光热以及光电效应等性能而成为研究热点, 广泛应用在电磁屏蔽、 电化学储能、 生物医药、 分离、 传感器和海水淡化等领域. 虽然MXenes具有这些优异的性能, 但是其存在的与疏水性高分子相容性差、 带负电的官能团阻碍电解质运输及易氧化等问题限制了其实际应用. 近年来, 通过对MXenes进行界面调控以解决其固有缺陷, 并在此基础上对MXenes进行针对性的结构设计以提升界面稳定性, 其性能得到了进一步提升. 本文对MXenes复合材料发展过程中在界面调控和结构设计方面的研究进展进行总结, 并重点介绍了MXenes的结构和性质及MXenes在复合材料中的界面调控手段, 对MXenes复合材料的结构设计进行了阐述, 并对MXenes复合材料的发展前景进行了展望.     

多孔碳基复合膜的真空冷冻干燥制备及高效太阳能水蒸发性能

以多壁碳纳米管(CNTs)和聚偏氟乙烯(PVDF)为原料, 通过相转化法形成均匀共混的胶体, 利用真空冷冻干燥(冻干)技术使胶体固化, 并在真空状态下使部分溶剂挥发, 制备了具有多孔结构的CNTs/PVDF复合膜. 实验结果表明, 冻干CNTs/PVDF复合膜具有优异的光吸收能力、 极佳的表面亲水性能. 在1 kW/m²光照强度下, 其水蒸发速率可达1.95 kg·m^-2·h^-1、 光热转化效率为92.9%. 搭载了冻干CNTs/PVDF复合膜的蒸发器在处理模拟海水和染料废水时, 均表现出良好的抗盐污染性、 显著的稳定性和优异的太阳能蒸发性能.     

金属-有机框架材料在光电催化水分解领域的研究进展

光催化分解水是将太阳能转化为化学能的有效手段之一. 相比于粉末光催化, 采用H型电解池的光 电催化方法具有材料选择范围大、 载流子迁移和分离效率高、 电极易于回收等优点. 近年来, 金属有机框架 材料(MOFs)在光电催化水分解领域得到越来越多的应用. 相比于传统无机催化剂, MOFs光电极具有比表面积大、 结构易于调控等独特优势. 本文按照MOFs的应用形式分为纯MOFs、 MOFs与其它催化剂的复合结构和MOFs衍生物3类, 总结了近年来MOFs在光电催化水分解领域的研究现状和进展, 介绍了光催化/电催化领域的部分典型研究成果, 最后讨论了MOFs在光电催化水分解领域研究的重点和热点, 并对其未来发展做出了展望.     

太阳能光热化学分解CO_2和H_2O的研究进展

利用太阳能作为能量来源,将CO2和H2O直接转化为化学燃料,既可降低大气中的CO2浓度,又能将太阳能转变为易于储存与运输的化学燃料,对低碳减排以及太阳能利用均具有重要意义.其中太阳能光热化学转化方式可以利用整个太阳能能谱,理论上具有较高的能量转换效率,逐渐受到国际社会的关注.本文简要综述近年来这一研究领域的一些重要进展,总结本课题组在热化学法分解CO2和H2O方面取得的最新结果,对太阳能光热化学转化CO2和H2O的未来发展进行展望.     

海水淡化用碳基电极材料及电容去离子技术研究进展

电容去离子技术(Capacitive Deionization,CDI)可以通过断电或电极反接方式使盐离子脱附,达到电极再生的目的,实现电极的可循环利用,其在海水淡化处理技术中具有独特的优势,逐渐成为一种缓和淡水资源紧缺和水污染的极具前景的技术手段。近年来,CDI处理技术正在向电极高效、无二次污染方向转变,未来将进一步聚焦碳基电极材料功能化(碳材料,钛碳化物MXenes,掺杂改性石墨烯材料)、装置和工艺设计优化等重要方向。为深入研究CDI海水淡化技术机理,进一步探索CDI方法在实际应用中的潜力,分别对CDI的脱盐机理、电极材料、装置和工艺设计对电吸附效率和性能的研究进展进行了总结,回顾CDI脱盐效果与电极材料、CDI电池装置设计等因素之间的密切关系,并对CDI技术在海水淡化中的研究发展提出展望。     

太阳能电池材料-铜锌锡硫化合物薄膜制备及器件应用研究进展

锌黄锡矿结构的CZTS（铜锌锡硫）材料与目前在薄膜太阳能电池领域表现出色的黄铜矿结构的CIGS（铜铟镓硒）材料具有相似的晶体结构,且CZTS有着很好的光电性能,组成元素在地球上含量丰富,安全无毒,非常适合用来发展高效、廉价的太阳能电池.近期CZTS类太阳能电池的最高效率已达到12.6%,在科研和产业领域引起了广泛关注.在简介了“新星”太阳能电池材料CZTS的性质及薄膜太阳能电池器件的基本结构之后,重点总结了CZTS薄膜的制备方法（真空、非真空法）以及相应器件效率,其中对众多非真空制备法进行了独到的归类总结.最后,对CZTS薄膜的优化方法进行了分析,并对其未来发展方向做了展望.     

稀土氟化物上转换荧光增强及应用

稀土氟化物上转换纳米材料具有化学稳定性高、反斯托克位移大、无光漂白、荧光寿命长、发光谱带窄和穿透深度深等优点,在荧光成像和光热疗、传感器、太阳能电池及防伪技术等领域具有广泛的应用前景,是一种极具发展潜力的荧光材料。然而该类材料在实际应用时还存在有荧光效率低、吸收截面小等亟待解决的瓶颈问题。针对以上问题,本文系统阐述了离子共掺杂、核壳结构、表面等离子耦合、光子晶体、宽频敏化和热效应等增强稀土氟化物上转换荧光的方法及其近年的研究进展。并在此基础上,总结了近年来荧光增强稀土氟化物上转换纳米材料在生物成像和光热疗、生物传感、太阳能电池及防伪技术等领域的应用研究现状。最后,分析了稀土氟化物UCNPs目前仍存在的不足,并对将来的发展方向进行了展望。     

材料润湿性调控及其应用于油/水混合物分离的研究进展

油水混合物(包括油水分层相及其乳液)广泛存在于油井采出液、工业循环水及污染海水中,而目前依然缺乏有效的方法能够实现其高效分离,而通过构筑具有三维网络结构的油水润湿界面为以上问题解决提供了新思路.本文综述了利用特殊润湿性分离油/水混合物的材料的研究进展;针对不同的特殊润湿性,不同的油/水混合物等对这些分离材料进行了总结与评述;提出了目前特殊润湿性材料存在的不足之处,并对未来研究方向进行展望.     

氧化石墨烯/聚合物复合水凝胶的研究进展

氧化石墨烯是一种具有单原子厚度的二维材料, 具有优异的力学性能和良好的水分散性, 其表面有大量的含氧官能团. 将氧化石墨烯引入水凝胶体系中可以提高水凝胶的机械性能, 丰富其刺激响应的类型. 目前, 氧化石墨烯水凝胶在高强度、 吸附、 自愈合及智能材料等很多领域均有出色的表现. 氧化石墨烯水凝胶的研究已有10年的历史. 本文总结了氧化石墨烯水凝胶的制备方法, 归纳了智能氧化石墨烯水凝胶在光热响应、 pH响应和自愈合3个方面的响应机理和研究进展, 并综合评述了其在高强度水凝胶、 生物医学、 智能材料和污水处理等方面的应用前景.     

电容去离子过渡金属基电极设计及应用研究进展北大核心CSCD

电容去离子(Capacitive deionization,CDI)作为一种新兴的水淡化和离子分离方法,由于其离子选择性高、水回收率高和能耗低等优点受到广泛关注。与传统的基于碳电极的CDI相比,新兴的法拉第电极通过离子捕获的法拉第反应,提供了使得CDI的脱盐性能大幅提升的独特机会。而过渡金属基电极由于其高度可逆的法拉第响应,相对较高的导电性以及出色的理论赝电容值等优势,在CDI电极设计领域受到广泛关注。本文系统地归纳和梳理了过渡金属基电极在CDI应用中的材料分类,总结了针对其本征缺陷所进行改性工程,主要包括导电材料耦合、功能结构工程和缺陷工程等,并对其在海水淡化中的性能进行了总结;此外,从离子选择性分离、金属离子去除和营养元素回收等方面介绍了过渡金属基电极在CDI中的特定应用。最后,概述了剩余的挑战和研究方向,为未来的过渡金属基电极的开发与研究提供指导。