基于过渡金属磷化物的太阳能界面蒸发装置构建与海水淡化应用研究

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淡水资源匮乏是社会现代化发展中面临的全球性问题,太阳能驱动界面蒸汽转换进行海水淡化被认为是一种有效应对淡水短缺问题的方法。局域化界面蒸发研究主要涉及光热转换,固相与液相的热传递、水分子运输等方面,光吸收材料的选择以及蒸发装置合理的结构设计是决定光热转换效率的关键。过渡金属磷化物作为一种典型的半导体材料,具有带隙窄、热稳定及结构稳定的特点,广泛应用于光催化及光热催化领域,是一种潜在的理想光热转换材料。目前太阳能界面蒸发装置普遍存在的热管理能力、化学稳定性和耐候性差等问题,本文从对太阳能界面蒸发器的基本结构、材料的润湿度、保温层设计等方面进行了深入研究,设计出一系列具备良好光吸收能力和光热转换特性的过渡金属磷化物复合材料。有效提升了蒸发装置的光吸收、水运输能力、热局域化能力和耐盐稳定性,填补了过渡金属磷化物在光热转换领域应用的空白。主要研究内容如下:(1)通过连续的水热反应及化学气相沉积,在泡沫镍表面原位生长了具有优异吸光性能的海胆状SU-Ni Co P和纳米花状NFs-Ni Co P,形成了Ni Co P@NF多级结构,制备出的复合多级结构材料的全光谱吸收率最高可达98.0%、蒸发速率最高达到1.51 kg m-2 h-1,光热转换效率分别达到了81.7%和96.1%。表面疏水处理进一步提高了该太阳能光热转换蒸发器的阻盐能力,在高质量分数的Na Cl溶液中长时间保持蒸发性能,表现出优异的循环稳定性和高阻盐性。Ni Co P@NF复合多级结构材料为过渡金属磷化物在光热转换领域的应用提供了一定的依据。(2)采用水热反应及化学气相沉积的方法,成功在碳化三聚氰胺泡沫(CMF)表面原位生长了磷化镍钴(Ni Co P)纳米结构,制备了Ni Co P@CMF复合碳泡沫。CMF的多孔网络结构在提升了界面蒸发装置吸光性能的同时赋予材料较高的机械强度,同时双金属磷化物也赋予了Ni Co P@CMF优良的表面亲水性、光吸收和光热转换能力。Ni Co P@CMF复合碳泡沫的宽谱光吸收率可达97.0%,蒸发速率最高为2.01 kg m-2 h-1;对应的实际光热转换效率达98.6%。在模拟海水中进行10次循环脱盐实验后,复合碳泡沫平均蒸发速率约为1.96 kg m-2 h-1,海水淡化后溶液中的金属离子浓度明显降低,表现出优异的稳定性。Ni Co P@CMF复合碳泡沫为制备可进行长期、高效的海水淡化应用的太阳能光热转换界面蒸发装置提供了新的思路。(3)以PVA气凝胶为基底,通过一种溶质静电自组装及冷冻干燥的方法制备了MXene/Ni Co P/PVA复合气凝胶。结果表明,MXene和Ni Co P具备优异的光吸收能力,PVA气凝胶基底的低热导率减少了环境热损失,优异的亲水性增加了蒸发过程中的水运输速率,多孔网络结构进一步提升了太阳能光热转换器的光捕获能力和界面蒸发能力。MXene/Ni Co P/PVA的宽谱光吸收率为94.0%,蒸发速率最高达1.50 kg m-2 h-1,实际光热转换效率可达85.6%。在进行15次模拟海水循环蒸发实验中,MXene/Ni Co P/PVA表现出优异的稳定性和耐盐性,平均蒸发速率可保持在1.48 kg m-2h-1。MXene/Ni Co P/PVA复合气凝胶的成功制备为气凝胶材料在光热转换领域提供了新的应用。
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