光热材料在海水淡化领域的近期研究进展与展望

太阳能水蒸发系统成本低、能效高,对缓解能源危机、减少水污染、促进海水淡化具有重要意义.然而,太阳能驱动水蒸发的自然机制往往受到低蒸发率和吸收光谱范围小的影响.其中,局部加热并限制热损失的界面水蒸发策略被广泛认可并作为高性能、可持续的太阳能蒸汽产生的有效途径.随着太阳能水蒸发技术的不断发展,制备绿色、高效的光热材料已成为研究热点.根据光热材料的种类将其划分为:金属材料、半导体材料、碳基材料以及聚合物材料,详细阐述了不同材料的光热转换机制并总结近年来光热材料在海水淡化领域的研究现状及进展;讨论了潜在的光热候选材料,对其未来发展做出了展望.旨在为海水淡化领域中高效光热材料的合理设计和开发提供可行方案,对今后光热材料的发展具有总结和指导意义.     

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.     

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。     

光热材料在太阳能海水脱盐中应用的研究进展

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。     

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。     

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%。     

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。     

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.     

PVDF⁃CNT自漂浮多孔微珠的制备及在高效太阳能驱动界面水蒸发中的应用

采用操作便捷的相转化法制备了可用于太阳能驱动界面水蒸发的聚偏氟乙烯-碳纳米管(PVDF-CNT) 自漂浮多孔微珠. PVDF-CNT微珠独特的组成和多孔微球结构有助于实现太阳光的高效捕获、 充分的水运 输和快速的蒸汽逸出, 且CNTs含量越高, PVDF-CNT微珠性能越佳. PVDF-CNT微珠最多可吸收约94.5％的太阳光, 2 min内使水面温度从20.8 ℃升高至43.1 ℃. 在1 kW/m²的太阳光模拟器照射下, 水蒸发速率高达1.501 kg/(m²·h), 太阳能转换效率高达94.2%.     

光电催化分解水Ⅲ-Ⅴ族半导体光电极薄膜保护策略

Ⅲ-Ⅴ族半导体材料(如GaAs、InP、GaP等)具有抗辐射性能高、温度特性好、耐高温等特点。相比于其他材料构建的光电催化体系,由这类半导体构成的光电极具有更高的太阳能吸收效率和光电转换效率。然而,大多数Ⅲ-Ⅴ族半导体在水溶液电解质中的物理化学性质很不稳定,导致太阳能驱动分解水性能衰减较快。基于此,本文综述了薄膜保护层在改善Ⅲ-Ⅴ族半导体光电极电化学稳定性方面的主要成就和研究现状,分析总结了获得稳定高效的光电反应界面和分解水效率的策略,探讨了导致材料衰减的原因和相应改善措施,最后展望了薄膜保护策略的未来发展前景。     

抗失水抗结冰水凝胶的研究进展

水凝胶在柔性可穿戴式器件、电子皮肤和软体机器人等领域具有巨大的应用潜力.然而,大部分水凝胶材料仍然面临容易失水变干,在严寒气候下容易冻结失效等挑战,严重限制了水凝胶材料的应用范围和发展前景.近年来,为了解决水凝胶在干旱地域和严寒气候的失效问题,研究人员设计和制备了一系列抗失水抗结冰的水凝胶材料.在本综述里,我们主要从制备策略和应用这两方面归纳并总结了抗失水和抗结冰水凝胶在近些年来的发展情况,着重讨论了表面修饰弹性体的水凝胶、盐凝胶、有机-水双溶剂凝胶以及纳米限域水凝胶各类水凝胶材料的制备原理和研究进展.这些策略极大地改善了水凝胶材料的抗失水性和抗结冰性.基于这些制备方法,介绍了抗失水抗结冰水凝胶在储能器件、柔性可穿戴设备、传感器和集水等领域的应用.最后,我们对这个领域的发展现状进行总结,指出当前所面临的挑战,并讨论了未来可能的发展方向.     

天然高分子材料水凝胶的制备及其应用进展

水凝胶是一种由高分子聚合物构成的三维网络材料,用自然界中天然存在的高聚物及其衍生物材料构建水凝胶,具有生物相容性、环境敏感性高、生物可降解性和对环境无污染等优势。本文介绍了近几年天然高分子水凝胶材料在医药卫生、食品、农业和环保等领域的应用情况;并按材料来源的不同,分类综述了蛋白质、多肽类水凝胶,海藻多糖水凝胶,动物多糖水凝胶,植物多糖水凝胶,其改性和制备复合水凝胶的最新技术、功能特性以及应用领域;最后对天然高分子水凝胶制备的改进方向和重点应用领域进行了展望。     

基于单原子催化剂的光热催化转化：原理和应用

在以碳中和为目标的全球共识下,太阳能作为一种取之不竭用之不尽的绿色环保能源被认为是替代传统化石燃料最有潜力的方式。在各种太阳能转换技术中,光热催化不仅可以最大化利用太阳能,在光场和热场双重驱动力作用下,还可以显著提升化学反应速率,引起广泛的研究兴趣。以孤立的单个原子均匀分散在载体上形成的单原子催化剂具有100%原子利用率、优异的催化活性、热稳定性等优势。因此,将单原子催化剂应用于光热催化开始受到越来越多的关注。本综述介绍了光催化、热催化和光热催化的基本原理和特征,同时列举一些典型的例子。随后以不同载体作为分类标准,总结了单原子光热催化应用的前沿研究进展。最后,提出了该催化体系所面临的挑战和未来的发展方向。本文旨在全面了解单原子催化剂在太阳能驱动光热催化领域的研究现状并为未来发展提供可行的建议。     

酶促水凝胶的合成及生物传感应用研究进展

近年来,聚合物基水凝胶材料已经成为一种独特的修饰材料,为新型生物传感器的设计提供了新思路.酶具有特异性高、毒性低、催化效率高等良好特性,已被用于催化聚合各种新型水凝胶.本文综述了几种酶促水凝胶的合成方法及其在细胞代谢物、组织工程、伤口愈合和癌症监测等方面的潜在应用,并对基于酶促水凝胶反应的生物传感器的制备与应用进行了总...     

太阳能光催化分解水制氢※

利用太阳能光催化分解水制氢是解决能源环境问题并实现太阳能有效转化和储存最有前途的技术之一, 这一“圣杯”式反应经过几十年不懈努力取得了诸多重要研究进展. 本文将综述光催化分解水制氢体系的基本概念、活性测试方法与注意事项、光催化材料种类等; 并从光催化分解水制氢的光吸收、光生电荷分离和表面催化反应等基本过程和关键科学问题的角度总结其重要研究进展, 最后对于太阳能光催化分解水制氢的挑战和潜在的发展方向进行分析和展望. 希望通过本综述的简要介绍能让刚从事光催化分解水制氢研究的青年科技人员清晰地了解掌握该领域的一些基本概念、操作规范、研究总体进展和现状等.     

MXene/枝状Co/聚偏氟乙烯复合光热膜制备及其界面蒸发性能

使用湿法刻蚀方式将Ti₃AlC₂刻蚀剥离成单/少层Ti₃C₂T_x MXene纳米片,采用电化学还原法制备枝状Co,然后以亲水的聚偏氟乙烯(PVDF)膜为基底通过真空抽滤制备Ti₃C₂T_x/枝状Co/PVDF复合光热膜。对复合材料的结构和形貌进行表征,研究了复合光热膜的光吸收性能和界面蒸发性能。结果表明,在模拟1个太阳光照下(光照强度为1 kW·m^-2),Ti₃C₂T_x/枝状Co/PVDF复合光热膜的光吸收率达到95.3%,纯水蒸发速率达到1.78 kg·m^-2·h^-1,界面蒸发效率高达97.5%。此外,还测试了在模拟海水中的界面蒸发性能,蒸发冷凝得到的水达到世界卫生组织(WHO)和美国环境保护署(EPA)饮用水标准,蒸发速率达到1.61 kg·m^-2·h     

合成高分子基温敏水凝胶在眼病治疗中的研究进展

由于眼部存在角膜/结膜屏障、血-房水屏障和血-视网膜屏障等,有效的眼部给药依然面临巨大挑战.近年来,温敏水凝胶在眼部给药领域受到了广泛关注.在室温下,温敏水凝胶材料呈液态,便于以局部滴加或玻璃体内注射的方式给药;当与眼部接触升温并超过其临界成胶温度时,能以物理交联的方式快速凝胶化,从而实现原位缓释给药,提高药物生物利用度.在众多温敏水凝胶材料中,合成高分子具有材料和功能多样化等优势,其中较常见的为泊洛沙姆、聚乙二醇/聚酯和聚(N-异丙基丙烯酰胺).本综述首先介绍了以上3类合成高分子基温敏水凝胶材料的制备方法和成胶特性.然后,围绕眼部给药存在的难点,探讨这些温敏水凝胶在治疗角膜病、干眼症、青光眼和眼部炎症等各种眼病中的相关研究进展.最后,我们比较了这3种水凝胶在使用性能上的优缺点,并对未来眼科温敏水凝胶的材料设计提出了设想和展望.     

光控水凝胶的构筑及在生物医药领域的应用

水凝胶由于具有优越的保水性、良好的生物相容性和可降解性,被认为是最接近人体组织的生物医用材料。通过构建环境敏感水凝胶可以高度拟合生物组织的微环境,实现其在组织工程与再生医学领域的应用。由于光具有非物理接触和时空分辨等优势,利用光调控技术可实现水凝胶微环境的精确构筑与调控。本文重点介绍了近年来光控水凝胶的构筑,以及在生物医学和材料领域的应用进展。