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光熱膜材料在太陽光譜范圍內應具有良好的吸光性，可最大限度吸收太陽光；具有粗糙的多孔表面，可降低對光的漫反射率和損耗，使膜表面能吸收到更多的太陽光；在光熱膜下層設計良好的隔熱層，可降低熱量傳遞，減少能量損失。

由太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)驅(qu)動(dong)，通過光(guang)熱(re)轉(zhuan)換產生水(shui)(shui)蒸氣是(shi)一種高(gao)效(xiao)、新興的太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)利用(yong)方式(shi)(shi)，在海水(shui)(shui)淡化、污(wu)水(shui)(shui)治理等(deng)領域具(ju)(ju)有(you)廣闊的應用(yong)前景。但太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)在到達地(di)球后，能(neng)量密度小(xiao)又不(bu)連(lian)續，是(shi)低品位(wei)(wei)熱(re)源。將太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)進(jin)行富集，轉(zhuan)換成(cheng)高(gao)品位(wei)(wei)熱(re)能(neng)，就需要利用(yong)光(guang)熱(re)材(cai)(cai)料與光(guang)熱(re)器件(jian)。而目前最具(ju)(ju)潛力的光(guang)熱(re)材(cai)(cai)料形式(shi)(shi)之一，就是(shi)光(guang)熱(re)膜(mo)材(cai)(cai)料。

什么是光(guang)熱膜材料？光(guang)熱膜材料通常具備哪些特(te)點(dian)？除海水淡化外(wai)，光(guang)熱膜還(huan)能應用于哪些領域？帶著(zhu)這些問題記者(zhe)采訪(fang)了(le)相(xiang)關專家。

光熱膜材料是太陽能驅動水蒸發技術的核心

由于水對太(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)的(de)(de)吸收率低，在自然(ran)蒸發(fa)條件下，太(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)利(li)用率低，蒸發(fa)速度比(bi)較慢。湖(hu)北(bei)大學材料科(ke)學與(yu)工程學院院長王賢保說(shuo)，普通的(de)(de)太(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)光熱(re)轉換采用的(de)(de)是(shi)太(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)集(ji)熱(re)管，像太(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)熱(re)水器對太(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)光熱(re)的(de)(de)利(li)用效(xiao)能(neng)只(zhi)有(you)20%。

光熱(re)膜材料被認為(wei)是一種吸收太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)并(bing)能(neng)(neng)將其高效轉換為(wei)熱(re)能(neng)(neng)的膜材料，它是太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)驅(qu)動水(shui)蒸發技術的核心。但是在(zai)通過光熱(re)轉換產生(sheng)水(shui)蒸氣的過程中，部分光熱(re)能(neng)(neng)量會不可避免地(di)散失在(zai)空(kong)氣、水(shui)等周圍低溫的環境(jing)中。

中(zhong)國(guo)科學(xue)院青島生(sheng)物(wu)能(neng)(neng)源(yuan)與(yu)過(guo)程(cheng)研究所(suo)副所(suo)長江河清研究員說(shuo)，光(guang)(guang)熱(re)膜材料在太陽光(guang)(guang)譜范圍內(nei)應具(ju)(ju)(ju)有(you)良(liang)(liang)好(hao)的(de)(de)(de)(de)吸光(guang)(guang)性(xing)，可(ke)最大限度吸收太陽光(guang)(guang)；具(ju)(ju)(ju)有(you)粗糙(cao)的(de)(de)(de)(de)多孔(kong)表(biao)面，可(ke)降低對光(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)漫反射率和損耗，使(shi)膜表(biao)面能(neng)(neng)吸收到更多的(de)(de)(de)(de)太陽光(guang)(guang)；在光(guang)(guang)熱(re)膜下層(ceng)(ceng)設計良(liang)(liang)好(hao)的(de)(de)(de)(de)隔熱(re)層(ceng)(ceng)，可(ke)降低熱(re)量傳(chuan)(chuan)遞，減少能(neng)(neng)量損失。光(guang)(guang)熱(re)膜材料還(huan)應具(ju)(ju)(ju)有(you)良(liang)(liang)好(hao)的(de)(de)(de)(de)水傳(chuan)(chuan)輸(shu)性(xing)能(neng)(neng)，比如具(ju)(ju)(ju)有(you)豐富的(de)(de)(de)(de)親水互(hu)連孔(kong)隙結構等，以(yi)保證水蒸發過(guo)程(cheng)中(zhong)水輸(shu)送供應的(de)(de)(de)(de)順暢。

常見的光熱膜材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)大致可分(fen)為(wei)無(wu)機材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)、有機材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)兩類，無(wu)機材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)主要(yao)包括(kuo)金屬納(na)米材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)，如貴金屬納(na)米顆粒(li)、無(wu)機半導體材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)、碳基材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)；有機材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)則包括(kuo)有機小分(fen)子化合物及聚合物材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)，如聚吡咯(ge)等。

“把(ba)無機(ji)或有機(ji)的(de)光(guang)(guang)熱(re)材料(liao)，經過共混紡絲、表面(mian)涂敷、原(yuan)位改性、材料(liao)組裝等工藝(yi)環節處(chu)理后，就能制備(bei)成(cheng)(cheng)具有多孔結(jie)構的(de)光(guang)(guang)熱(re)膜(mo)。”中國科(ke)學(xue)院青島生物(wu)能源與(yu)過程(cheng)(cheng)研究所副(fu)研究員宋(song)向菊說，在水(shui)(shui)蒸發過程(cheng)(cheng)中，料(liao)液(ye)中的(de)水(shui)(shui)經光(guang)(guang)熱(re)膜(mo)孔道(dao)的(de)毛細管作用(yong)，傳輸到膜(mo)表面(mian)，處(chu)于膜(mo)表面(mian)的(de)水(shui)(shui)吸收熱(re)量形成(cheng)(cheng)水(shui)(shui)蒸氣(qi)，經冷凝后便可(ke)以獲得(de)純凈的(de)淡水(shui)(shui)。

為提升性能優化材料選擇和結構設計

當前，光熱(re)膜材(cai)料(liao)(liao)在(zai)(zai)實際應用中，還存(cun)在(zai)(zai)能(neng)量損失(shi)、成本高、穩定性(xing)(xing)不(bu)足等諸(zhu)多瓶(ping)頸與問題。比如(ru)光熱(re)膜材(cai)料(liao)(liao)在(zai)(zai)光熱(re)轉(zhuan)換過程(cheng)中會出現(xian)熱(re)傳導和(he)熱(re)輻射(she)等情況，導致部分能(neng)量損失(shi)；某些光熱(re)膜材(cai)料(liao)(liao)在(zai)(zai)高溫和(he)強光照射(she)下，可能(neng)會出現(xian)腐蝕或降解，從而(er)影響材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)長期穩定性(xing)(xing)和(he)壽命(ming)。在(zai)(zai)海水(shui)(shui)淡(dan)化應用中，還存(cun)在(zai)(zai)鹽(yan)(yan)析(xi)現(xian)象，也就是說，海水(shui)(shui)蒸發(fa)獲(huo)得淡(dan)水(shui)(shui)的(de)(de)同時，凝結出的(de)(de)鹽(yan)(yan)會吸(xi)附在(zai)(zai)光熱(re)膜表面(mian)，降低(di)了(le)膜對光的(de)(de)吸(xi)收、熱(re)轉(zhuan)化的(de)(de)效(xiao)率(lv)，從而(er)降低(di)了(le)光熱(re)膜材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)水(shui)(shui)蒸發(fa)性(xing)(xing)能(neng)。

為此(ci)，科(ke)研人員在(zai)光熱材料選擇及(ji)膜結(jie)(jie)構(gou)設計(ji)上付出了(le)諸多(duo)努力。比如為降(jiang)低能量(liang)損失、提(ti)高光熱轉化效率(lv)，在(zai)膜下(xia)表(biao)面(mian)(mian)設計(ji)隔熱層(ceng)，同(tong)時對光熱膜材料表(biao)面(mian)(mian)微結(jie)(jie)構(gou)，即表(biao)面(mian)(mian)親疏水(shui)性、粗糙(cao)度(du)等進行調(diao)控，一方面(mian)(mian)減少熱量(liang)向(xiang)水(shui)體傳(chuan)遞，另一方面(mian)(mian)提(ti)高光的吸收率(lv)；此(ci)外，通過在(zai)膜表(biao)面(mian)(mian)構(gou)筑(zhu)涂層(ceng)或調(diao)控膜結(jie)(jie)構(gou)，顯著提(ti)高了(le)光熱膜材料的穩定性。

近年來，江(jiang)河清帶(dai)領研究團(tuan)(tuan)隊在改善光(guang)(guang)熱膜(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)水(shui)(shui)(shui)(shui)蒸發(fa)性(xing)(xing)能(neng)(neng)方面(mian)開(kai)展了(le)(le)(le)(le)大(da)量科研工作。比如在太(tai)陽光(guang)(guang)驅動(dong)水(shui)(shui)(shui)(shui)蒸發(fa)過程中，水(shui)(shui)(shui)(shui)體中的(de)(de)藻類(lei)、有(you)機(ji)物會在光(guang)(guang)熱膜(mo)(mo)(mo)(mo)中富集生(sheng)長(chang)，造成膜(mo)(mo)(mo)(mo)污染，導致(zhi)膜(mo)(mo)(mo)(mo)材料(liao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)下降(jiang)。團(tuan)(tuan)隊為此設計開(kai)發(fa)了(le)(le)(le)(le)具有(you)催化和光(guang)(guang)熱特性(xing)(xing)的(de)(de)鈣鈦礦(kuang)光(guang)(guang)熱膜(mo)(mo)(mo)(mo)，通(tong)過高(gao)溫催化降(jiang)解污染物等，實(shi)現了(le)(le)(le)(le)光(guang)(guang)熱膜(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)循環再生(sheng)，延長(chang)了(le)(le)(le)(le)光(guang)(guang)熱膜(mo)(mo)(mo)(mo)材料(liao)的(de)(de)壽命。此外，團(tuan)(tuan)隊還開(kai)發(fa)了(le)(le)(le)(le)中空(kong)纖(xian)維(wei)陣列光(guang)(guang)熱膜(mo)(mo)(mo)(mo)，可多(duo)角度吸收太(tai)陽能(neng)(neng)，顯著提高(gao)了(le)(le)(le)(le)太(tai)陽光(guang)(guang)利用效率，提升(sheng)了(le)(le)(le)(le)水(shui)(shui)(shui)(shui)蒸發(fa)性(xing)(xing)能(neng)(neng)；設計了(le)(le)(le)(le)具有(you)不對稱結(jie)構的(de)(de)Janus光(guang)(guang)熱膜(mo)(mo)(mo)(mo)，利用光(guang)(guang)熱膜(mo)(mo)(mo)(mo)下層的(de)(de)親水(shui)(shui)(shui)(shui)特性(xing)(xing)，促進(jin)水(shui)(shui)(shui)(shui)向膜(mo)(mo)(mo)(mo)表面(mian)傳輸，同時利用光(guang)(guang)熱膜(mo)(mo)(mo)(mo)表面(mian)疏水(shui)(shui)(shui)(shui)性(xing)(xing)，控(kong)制表面(mian)水(shui)(shui)(shui)(shui)的(de)(de)分布，從而控(kong)制隨水(shui)(shui)(shui)(shui)傳輸的(de)(de)鹽離子(zi)在膜(mo)(mo)(mo)(mo)邊緣結(jie)晶、析出，不但解決了(le)(le)(le)(le)鹽析問題(ti)，而且實(shi)現了(le)(le)(le)(le)鹽的(de)(de)收集。

國(guo)內多家科(ke)研單(dan)位(wei)也在進(jin)行光熱(re)膜(mo)材(cai)料創新工作(zuo)。比如中國(guo)科(ke)學院(yuan)深圳先進(jin)技術(shu)研究院(yuan)研究員喻(yu)學鋒課題組以天然玄武(wu)巖為原料，設(she)計(ji)制(zhi)備(bei)出較為便宜、穩定且耐腐蝕的(de)玄武(wu)巖纖維光熱(re)膜(mo)，在紫外線(xian)和近紅外光譜范圍內，該光熱(re)膜(mo)顯(xian)示出廣泛的(de)吸收性。王賢保團隊(dui)將石墨烯(xi)氣溶膠制(zhi)備(bei)成一(yi)張“薄(bo)膜(mo)”，可隨(sui)波漂浮在水面上。“這種石墨烯(xi)膜(mo)材(cai)料的(de)光熱(re)轉換效率(lv)高達(da)94%，而傳統商業光伏電池(chi)的(de)能量轉換效率(lv)僅(jin)有10%—20%。”王賢保說。

在清潔能源和可持續發展領域頗具潛力

除海水(shui)(shui)淡(dan)化外，光熱(re)膜(mo)材(cai)料在(zai)污(wu)水(shui)(shui)處理、空(kong)氣加熱(re)和凈化、光催化等(deng)多個領(ling)域(yu)也具有(you)廣泛的應用前景。比如將光熱(re)膜(mo)與(yu)超(chao)濾、納濾、反滲透等(deng)傳統(tong)分離(li)技(ji)術耦合(he)，可(ke)開發出(chu)新型膜(mo)分離(li)技(ji)術，利用太(tai)陽能(neng)對(dui)原料水(shui)(shui)進行(xing)加熱(re)，降(jiang)低(di)水(shui)(shui)的黏度(du)，促使(shi)水(shui)(shui)快速通過(guo)膜(mo)，從(cong)而實現(xian)水(shui)(shui)與(yu)有(you)機物/鹽的有(you)效分離(li)，并降(jiang)低(di)能(neng)耗。

“我(wo)們團(tuan)隊將光熱材料引入聚合物分(fen)離膜，開發了(le)兼具(ju)光熱和分(fen)離功(gong)能(neng)的復合膜，將其應用于水和染(ran)料的分(fen)離，顯(xian)著提升了(le)水的滲透通量，并降低(di)了(le)能(neng)耗，表明其在染(ran)料廢(fei)水處理中具(ju)有(you)較好的應用潛力。”江河清說(shuo)。

與(yu)光(guang)熱(re)膜(mo)(mo)處理污(wu)(wu)水的技術(shu)原理相(xiang)似(si)，光(guang)熱(re)膜(mo)(mo)還可處理空氣中的污(wu)(wu)染物。江(jiang)河清(qing)研(yan)究團隊已開發出兼具光(guang)熱(re)和分離特性光(guang)熱(re)膜(mo)(mo)，將其應用到空氣凈化領域，能有效(xiao)去除(chu)細顆粒物（PM_2.5），同時提(ti)升(sheng)室內溫度，達到提(ti)高生活品質的效(xiao)果。

光熱膜(mo)還(huan)可(ke)應用在光催(cui)化(hua)(hua)、能(neng)量存(cun)儲、工業加熱等領(ling)域。比(bi)如(ru)利(li)用光熱膜(mo)材料的光熱轉(zhuan)化(hua)(hua)能(neng)力，促(cu)進熱解和(he)催(cui)化(hua)(hua)反應，可(ke)制備出(chu)高價值化(hua)(hua)學品(pin)；在電(dian)催(cui)化(hua)(hua)領(ling)域，利(li)用光熱膜(mo)可(ke)實現高效電(dian)解水制氫等。

宋向菊表示，光(guang)(guang)熱膜材(cai)(cai)料的(de)產業化還在不斷發展中(zhong)(zhong)，盡管一些先(xian)進(jin)的(de)光(guang)(guang)熱膜材(cai)(cai)料已在實驗室(shi)中(zhong)(zhong)取(qu)得了良好效果，但要將其商業化并(bing)廣泛(fan)應(ying)用于實際生(sheng)產中(zhong)(zhong)，還需(xu)要突破(po)技術和(he)經濟上的(de)瓶頸(jing)，以確保光(guang)(guang)熱膜材(cai)(cai)料的(de)可持(chi)續性(xing)和(he)可靠性(xing)。

光熱(re)(re)膜(mo)材料在(zai)可再生能(neng)(neng)(neng)源(yuan)領域(yu)(yu)具有巨大(da)的潛(qian)力，其發(fa)(fa)展方向將主要集中在(zai)材料性能(neng)(neng)(neng)優化、多功(gong)能(neng)(neng)(neng)性應用、成本降低等(deng)方面。比如通(tong)過優化光熱(re)(re)膜(mo)結構和組成、引入新的納米材料，提高光熱(re)(re)性能(neng)(neng)(neng)，以(yi)適應不同(tong)領域(yu)(yu)的需(xu)求；根據光照強(qiang)度(du)和角度(du)，開發(fa)(fa)自適應追光的智能(neng)(neng)(neng)光熱(re)(re)膜(mo)材料等(deng)。“隨著科技的進步(bu)，光熱(re)(re)膜(mo)材料將在(zai)多個領域(yu)(yu)中發(fa)(fa)揮(hui)更大(da)的作(zuo)用，為(wei)清(qing)潔能(neng)(neng)(neng)源(yuan)和可持(chi)續發(fa)(fa)展作(zuo)出新貢獻。”江河清(qing)說。