科普 | 光热膜:实现太阳光的高效热转化
发布者:xylona | 来源:科技日报 | 0评论 | 2342查看 | 2023-08-29 10:31:16    

光热膜材料在太阳光谱范围内应具有良好的吸光性,可最大限度吸收太阳光;具有粗糙的多孔表面,可降低对光的漫反射率和损耗,使膜表面能吸收到更多的太阳光;在光热膜下层设计良好的隔热层,可降低热量传递,减少能量损失。



由太阳能驱动,通过光热转换产生水蒸气是一种高效、新兴的太阳能利用方式,在海水淡化、污水治理等领域具有广阔的应用前景。但太阳能在到达地球后,能量密度小又不连续,是低品位热源。将太阳能进行富集,转换成高品位热能,就需要利用光热材料与光热器件。而目前最具潜力的光热材料形式之一,就是光热膜材料。


什么是光热膜材料?光热膜材料通常具备哪些特点?除海水淡化外,光热膜还能应用于哪些领域?带着这些问题记者采访了相关专家。


光热膜材料是太阳能驱动水蒸发技术的核心


由于水对太阳能的吸收率低,在自然蒸发条件下,太阳能利用率低,蒸发速度比较慢。湖北大学材料科学与工程学院院长王贤保说,普通的太阳能光热转换采用的是太阳能集热管,像太阳能热水器对太阳光热的利用效能只有20%。


光热膜材料被认为是一种吸收太阳能并能将其高效转换为热能的膜材料,它是太阳能驱动水蒸发技术的核心。但是在通过光热转换产生水蒸气的过程中,部分光热能量会不可避免地散失在空气、水等周围低温的环境中。


中国科学院青岛生物能源与过程研究所副所长江河清研究员说,光热膜材料在太阳光谱范围内应具有良好的吸光性,可最大限度吸收太阳光;具有粗糙的多孔表面,可降低对光的漫反射率和损耗,使膜表面能吸收到更多的太阳光;在光热膜下层设计良好的隔热层,可降低热量传递,减少能量损失。光热膜材料还应具有良好的水传输性能,比如具有丰富的亲水互连孔隙结构等,以保证水蒸发过程中水输送供应的顺畅。


常见的光热膜材料大致可分为无机材料、有机材料两类,无机材料主要包括金属纳米材料,如贵金属纳米颗粒、无机半导体材料、碳基材料;有机材料则包括有机小分子化合物及聚合物材料,如聚吡咯等。


“把无机或有机的光热材料,经过共混纺丝、表面涂敷、原位改性、材料组装等工艺环节处理后,就能制备成具有多孔结构的光热膜。”中国科学院青岛生物能源与过程研究所副研究员宋向菊说,在水蒸发过程中,料液中的水经光热膜孔道的毛细管作用,传输到膜表面,处于膜表面的水吸收热量形成水蒸气,经冷凝后便可以获得纯净的淡水。


为提升性能优化材料选择和结构设计


当前,光热膜材料在实际应用中,还存在能量损失、成本高、稳定性不足等诸多瓶颈与问题。比如光热膜材料在光热转换过程中会出现热传导和热辐射等情况,导致部分能量损失;某些光热膜材料在高温和强光照射下,可能会出现腐蚀或降解,从而影响材料的长期稳定性和寿命。在海水淡化应用中,还存在盐析现象,也就是说,海水蒸发获得淡水的同时,凝结出的盐会吸附在光热膜表面,降低了膜对光的吸收、热转化的效率,从而降低了光热膜材料的水蒸发性能。


为此,科研人员在光热材料选择及膜结构设计上付出了诸多努力。比如为降低能量损失、提高光热转化效率,在膜下表面设计隔热层,同时对光热膜材料表面微结构,即表面亲疏水性、粗糙度等进行调控,一方面减少热量向水体传递,另一方面提高光的吸收率;此外,通过在膜表面构筑涂层或调控膜结构,显著提高了光热膜材料的稳定性。


近年来,江河清带领研究团队在改善光热膜的水蒸发性能方面开展了大量科研工作。比如在太阳光驱动水蒸发过程中,水体中的藻类、有机物会在光热膜中富集生长,造成膜污染,导致膜材料性能下降。团队为此设计开发了具有催化和光热特性的钙钛矿光热膜,通过高温催化降解污染物等,实现了光热膜的循环再生,延长了光热膜材料的寿命。此外,团队还开发了中空纤维阵列光热膜,可多角度吸收太阳能,显著提高了太阳光利用效率,提升了水蒸发性能;设计了具有不对称结构的Janus光热膜,利用光热膜下层的亲水特性,促进水向膜表面传输,同时利用光热膜表面疏水性,控制表面水的分布,从而控制随水传输的盐离子在膜边缘结晶、析出,不但解决了盐析问题,而且实现了盐的收集。


国内多家科研单位也在进行光热膜材料创新工作。比如中国科学院深圳先进技术研究院研究员喻学锋课题组以天然玄武岩为原料,设计制备出较为便宜、稳定且耐腐蚀的玄武岩纤维光热膜,在紫外线和近红外光谱范围内,该光热膜显示出广泛的吸收性。王贤保团队将石墨烯气溶胶制备成一张“薄膜”,可随波漂浮在水面上。“这种石墨烯膜材料的光热转换效率高达94%,而传统商业光伏电池的能量转换效率仅有10%—20%。”王贤保说。


在清洁能源和可持续发展领域颇具潜力


除海水淡化外,光热膜材料在污水处理、空气加热和净化、光催化等多个领域也具有广泛的应用前景。比如将光热膜与超滤、纳滤、反渗透等传统分离技术耦合,可开发出新型膜分离技术,利用太阳能对原料水进行加热,降低水的黏度,促使水快速通过膜,从而实现水与有机物/盐的有效分离,并降低能耗。


“我们团队将光热材料引入聚合物分离膜,开发了兼具光热和分离功能的复合膜,将其应用于水和染料的分离,显著提升了水的渗透通量,并降低了能耗,表明其在染料废水处理中具有较好的应用潜力。”江河清说。


与光热膜处理污水的技术原理相似,光热膜还可处理空气中的污染物。江河清研究团队已开发出兼具光热和分离特性光热膜,将其应用到空气净化领域,能有效去除细颗粒物(PM_2.5),同时提升室内温度,达到提高生活品质的效果。


光热膜还可应用在光催化、能量存储、工业加热等领域。比如利用光热膜材料的光热转化能力,促进热解和催化反应,可制备出高价值化学品;在电催化领域,利用光热膜可实现高效电解水制氢等。


宋向菊表示,光热膜材料的产业化还在不断发展中,尽管一些先进的光热膜材料已在实验室中取得了良好效果,但要将其商业化并广泛应用于实际生产中,还需要突破技术和经济上的瓶颈,以确保光热膜材料的可持续性和可靠性。


光热膜材料在可再生能源领域具有巨大的潜力,其发展方向将主要集中在材料性能优化、多功能性应用、成本降低等方面。比如通过优化光热膜结构和组成、引入新的纳米材料,提高光热性能,以适应不同领域的需求;根据光照强度和角度,开发自适应追光的智能光热膜材料等。“随着科技的进步,光热膜材料将在多个领域中发挥更大的作用,为清洁能源和可持续发展作出新贡献。”江河清说。

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