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高(gao)效的(de)太陽(yang)能蒸(zheng)汽產(chan)生（SSG）依賴于相干光(guang)熱(re)材料(liao)出色的(de)光(guang)吸收，足夠的(de)水傳輸，大的(de)蒸(zheng)發面積以及高(gao)的(de)熱(re)利用能力(li)。但尚無將這(zhe)些功能整合到(dao)整體(ti)結構(gou)上的(de)通用方(fang)法，其(qi)在化學組成和(he)孔結構(gou)方(fang)面具有設計(ji)靈活(huo)性(xing)。

基于(yu)以上現狀，桂林電子科(ke)技大學苗(miao)蕾、周(zhou)建華等(deng)在國際知名期刊NanoEnergy上發表(biao)題為“Integrated photothermal aerogels with ultra high-performance solar steamgeneration”的論文。Yufei Gu為本文第一作(zuo)者。

本文設(she)(she)計并演(yan)示(shi)了一(yi)種(zhong)通(tong)(tong)用(yong)的(de)(de)殼聚糖（CS）氣(qi)凝膠(jiao)，該(gai)氣(qi)凝膠(jiao)易于與其他光(guang)熱材(cai)料兼(jian)容以實現高效SSG。CS氣(qi)凝膠(jiao)是通(tong)(tong)過(guo)液相一(yi)鍋法冷凍干(gan)燥合(he)成(cheng)的(de)(de)，沒有(you)任何交聯劑(ji)。CS復合(he)氣(qi)凝膠(jiao)不僅保留了CS氣(qi)凝膠(jiao)的(de)(de)初始特性，而且還(huan)集成(cheng)了生物相容性，親水性和高絕熱性能(neng)，并通(tong)(tong)過(guo)設(she)(she)計的(de)(de)多孔結構通(tong)(tong)過(guo)集光(guang)和多重散(san)射的(de)(de)作用(yong)增強了光(guang)吸收能(neng)力。

與(yu)CS氣凝膠復合并通過凍(dong)干機（PP0.1CS1.5-L）冷(leng)凍(dong)干燥的碳(tan)化柚皮顆(ke)粒表現(xian)出(chu)出(chu)色的SSG性(xing)能，蒸(zheng)發速率(lv)高達1.78kgm-2h-1，遠遠超出(chu)了正常太陽輻(fu)射(she)為1kWm-2的二維SSG系統。這項研究為輕(qing)巧(qiao)地制造可重復使用，低成本(ben)，無(wu)毒和高性(xing)能的功能性(xing)氣凝膠開(kai)辟(pi)了一條新途徑。

1.太陽能蒸汽發電的研究現狀

受地球水(shui)(shui)循環的(de)啟發(fa)，利用光熱(re)(re)轉(zhuan)化材料(liao)直接驅動(dong)加速水(shui)(shui)蒸發(fa)并收集系(xi)統中的(de)清水(shui)(shui)的(de)太陽能(neng)蒸汽發(fa)電(dian)（SSG）在污水(shui)(shui)處(chu)理和海水(shui)(shui)淡化中具有巨大的(de)潛力。SSG的(de)太陽能(neng)熱(re)(re)轉(zhuan)換效率比傳(chuan)統的(de)散裝水(shui)(shui)加熱(re)(re)要高得多，尤其是在界面(mian)系(xi)統中，充當太陽能(neng)吸收劑的(de)光熱(re)(re)轉(zhuan)換材料(liao)層可以(yi)漂浮在空氣-水(shui)(shui)界面(mian)處(chu)并實現局(ju)部加熱(re)(re)。

通常，高(gao)性(xing)能太(tai)陽能蒸汽發生器需要具備以(yi)下特征(zheng)：對太(tai)陽光(guang)的吸(xi)收(shou)極好；充足的供水；高(gao)的熱管理能力；蒸發面積大。

最(zui)近(jin)，已經(jing)設計和優化了熱管理和水輸送(song)/蒸發路徑，以(yi)進一步減少熱量(liang)(liang)損失，增加蒸發面積以(yi)提高轉(zhuan)化效(xiao)率(lv)。作為SSG的(de)(de)核(he)心能量(liang)(liang)轉(zhuan)換組件(jian)，需要具有綜合性能的(de)(de)光(guang)熱材(cai)料(liao)(liao)。已探索的(de)(de)候選材(cai)料(liao)(liao)包括碳基材(cai)料(liao)(liao)，貴金屬納米(mi)顆粒和窄帶(dai)隙(xi)半導體，用于各(ge)種聚合物。已經(jing)設計了光(guang)熱轉(zhuan)換材(cai)料(liao)(liao)以(yi)形(xing)成多(duo)孔(kong)微結構或將其裝(zhuang)(zhuang)載(zai)(zai)在(zai)(zai)額外的(de)(de)多(duo)孔(kong)基材(cai)上(shang)(shang)，這將增加散射引起的(de)(de)光(guang)捕獲(huo)。裝(zhuang)(zhuang)載(zai)(zai)在(zai)(zai)多(duo)孔(kong)膜上(shang)(shang)的(de)(de)光(guang)熱材(cai)料(liao)(liao)比相同量(liang)(liang)的(de)(de)裝(zhuang)(zhuang)載(zai)(zai)在(zai)(zai)平面膜上(shang)(shang)的(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)具有更好的(de)(de)光(guang)捕獲(huo)能力，光(guang)吸收(shou)率(lv)從60％提高到(dao)99％。

最近，通過水熱和冷凍干燥工藝合(he)成的還原型氧化石墨(mo)烯（rGO）氣(qi)凝(ning)膠顯(xian)示(shi)出三維（3D）多(duo)孔(kong)結構，從(cong)而(er)導致寬(kuan)帶(dai)光吸收和高達90％的太陽到(dao)蒸氣(qi)傳遞效率(lv)。但是，rGO的準備過程復(fu)雜，昂貴且(qie)耗時。rGO氣(qi)凝(ning)膠太脆(cui)弱，無(wu)法回收利用(yong)，這限制了其在(zai)SSG中的廣泛應用(yong)。此外，由碳化酚(fen)醛(quan)樹脂(zhi)生產的碳基氣(qi)凝(ning)膠也存(cun)在(zai)類(lei)似問題。

2.聚合物光熱材料的研究現狀及存在的問題

取而(er)代之的(de)是(shi)，聚(ju)合(he)物(wu)光(guang)(guang)(guang)熱材(cai)料具有巨大的(de)優勢，因為(wei)它們柔軟，便(bian)宜，可在(zai)整料中(zhong)制造，并(bing)且易(yi)于功(gong)能化為(wei)復合(he)材(cai)料。以3D光(guang)(guang)(guang)熱錐形態制備(bei)了(le)(le)涂(tu)覆在(zai)聚(ju)偏二氟乙烯(xi)膜上的(de)聚(ju)吡(bi)咯，其光(guang)(guang)(guang)吸收率為(wei)99％，蒸(zheng)發速率為(wei)1.70kgm-2h-1。精心設計了(le)(le)炭黑(hei)涂(tu)層纖維素層和(he)棉(mian)芯的(de)復合(he)材(cai)料，以形成具有高蒸(zheng)發面積和(he)低投影(ying)比的(de)圓(yuan)柱陣(zhen)列。在(zai)僅0.25kWm-2的(de)光(guang)(guang)(guang)照下，蒸(zheng)發速率為(wei)0.89kgm-2h-1。

通過這(zhe)種精心設計(ji)，提(ti)高(gao)了(le)(le)性能是由(you)于減少(shao)了(le)(le)頂表面的(de)能量(liang)損(sun)失以及從側面獲得(de)的(de)補充能量(liang)。在我們以前的(de)工作(zuo)(zuo)中，開發了(le)(le)模擬樹系統（MTS），其太陽熱轉(zhuan)換效(xiao)率高(gao)達91.3％。用作(zuo)(zuo)MTS根(gen)部的(de)氣流成網紙將(jiang)太陽能吸收層與散(san)裝水(shui)分開，這(zhe)不(bu)僅為SSG提(ti)供了(le)(le)足夠(gou)的(de)水(shui)，而且還降低了(le)(le)向(xiang)散(san)裝水(shui)的(de)熱傳導并提(ti)高(gao)了(le)(le)熱利用效(xiao)率。

膨脹聚(ju)乙(yi)(yi)烯（EPE）泡沫也用于包裹MTS，以(yi)抑制熱量散發到周圍環境中(zhong)(zhong)。基于數值(zhi)模(mo)型，總熱損失約占總傳入太陽(yang)能的(de)(de)(de)(de)7.4％，從而確保(bao)了(le)MTS中(zhong)(zhong)出色的(de)(de)(de)(de)熱管理和高效的(de)(de)(de)(de)SSG。具有三層壓花結(jie)構的(de)(de)(de)(de)MTS中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)納米油墨染(ran)色的(de)(de)(de)(de)聚(ju)乙(yi)(yi)烯醇(chun)海綿在1陽(yang)光照射下的(de)(de)(de)(de)蒸發速率(lv)(lv)提高了(le)7.2倍，是純(chun)水的(de)(de)(de)(de)蒸發速率(lv)(lv)。

由于SSG中使用的(de)(de)上述材料直接從商品獲得(de)，因(yin)此(ci)它們的(de)(de)孔結構(gou)(gou)是固定的(de)(de)。難以根(gen)據其(qi)孔結構(gou)(gou)來調整光吸收特性。此(ci)外，當功能(neng)組分被集成(cheng)以形(xing)成(cheng)復合物時，合成(cheng)過程變得(de)更加復雜。因(yin)此(ci)，開發一種容易且對環境友好的(de)(de)途(tu)徑(jing)來形(xing)成(cheng)用于SSG的(de)(de)具有可調節孔結構(gou)(gou)的(de)(de)聚(ju)合物整料仍然是一個(ge)巨(ju)大的(de)(de)挑戰。

圖1：圖片概要

在這項工作(zuo)中，作(zuo)者設計并演示了一(yi)種通用的(de)(de)殼聚糖（CS）氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)，該氣(qi)(qi)凝(ning)膠(jiao)可與其他光熱材(cai)料兼容，以實現SSG的(de)(de)高效率。CS是一(yi)種從貝類中提取的(de)(de)可持續材(cai)料，由(you)于(yu)其具有(you)豐富(fu)的(de)(de)羥基(ji)和(he)酰胺(an)原(yuan)，因此對重金屬離子具有(you)優異(yi)的(de)(de)吸收能(neng)力，并且在水污染處理，食品包裝，藥物載體(ti)，和(he)傷口修(xiu)復(fu)。

CS氣凝膠(jiao)是通(tong)過(guo)液相(xiang)一鍋法冷凍干燥合成的(de)(de)(de)(de)，沒(mei)有任何交聯劑，其中(zhong)CS氣凝膠(jiao)的(de)(de)(de)(de)孔(kong)徑和結構可通(tong)過(guo)改變冷凍干燥技(ji)術來調(diao)節。通(tong)過(guo)冷凍干燥機（CS1.5-L）制備的(de)(de)(de)(de)CS濃度為1.5wt％的(de)(de)(de)(de)氣凝膠(jiao)的(de)(de)(de)(de)孔(kong)隙率為96％，導熱(re)系數較低，為0.033Wm-1K-1，并且負載能(neng)力非常大(da)。物(wu)料(liao)的(de)(de)(de)(de)內徑超過(guo)自重的(de)(de)(de)(de)8565倍，而沒(mei)有明(ming)顯的(de)(de)(de)(de)變形。

此外，作者證明了(le)液(ye)相(xiang)一鍋法(fa)冷凍(dong)干燥法(fa)制備CS型復合(he)氣(qi)凝膠(jiao)的(de)(de)可行性(xing)，該方法(fa)是將光熱顆粒或分散液(ye)與CS溶液(ye)混合(he)，然后直接冷凍(dong)澆鑄。所獲得(de)的(de)(de)復合(he)CS氣(qi)凝膠(jiao)不僅保(bao)留了(le)CS氣(qi)凝膠(jiao)的(de)(de)初始特(te)性(xing)，而且還基于多孔結(jie)構增強了(le)光吸收(shou)能力，從而獲得(de)了(le)適于改善MTS裝置中SSG性(xing)能的(de)(de)值。

在(zai)這些CS復(fu)合氣凝(ning)膠(jiao)中，與(yu)CS氣凝(ning)膠(jiao)復(fu)合并(bing)通過凍干(gan)機（PP0.1CS1.5-L）冷(leng)凍干(gan)燥的碳化柚皮(pi)（PP）顆(ke)粒具有出色(se)的SSG性能，蒸發(fa)速率高(gao)達1.78kgm-2h-1，遠遠超出了(le)二維（2D）SSG系統在(zai)正常的1kWm-2的太陽輻射(she)下所能達到的范圍。

這(zhe)種環保，易(yi)相容(rong)且用途(tu)廣(guang)泛(fan)的CS氣凝膠，具有(you)易(yi)于(yu)調節的孔隙結構(gou)，可滿足高性能和大規模生(sheng)產SSG的光熱材料的要求。

光(guang)熱材料氣凝膠集成了(le)增強的光(guang)吸(xi)收，便捷的水傳輸和提高的熱利用率。

?高(gao)達1.781.kgm-2h-1的(de)蒸(zheng)發速(su)率遠遠超過(guo)了二(er)維SSG系統(tong)在1kWm-2的(de)正常太陽輻(fu)射(she)下所能達到的(de)蒸(zheng)發速(su)率。

?殼聚糖氣凝膠易于(yu)與其他光熱材料兼(jian)容，以(yi)產生高效的太陽能蒸汽。

?復合氣凝(ning)膠的(de)孔(kong)徑(jing)和結(jie)構(gou)可以通過調(diao)節冰的(de)形成(cheng)方向和凍(dong)結(jie)溫度來(lai)輕松控制。

圖2：集成光熱轉換氣凝膠的制作(zuo)過程(cheng)：The fabrication of Integrated photothermal conversion aerogel . Schematic of the solid-liquid (powder in CS solution) and liquid-liquid (dispersion in CS solution) one-pot freeze drying fabrication process and the mechanism of CS-based composite aerogelin SSG.