【摘 要】
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水资源短缺已成为人类生存和发展过程中一个重大的挑战,海水淡化作为缓解水资源短缺的一种方法受到了广泛的关注。然而目前常用的海水淡化方法需要消耗大量电能或化石能源,在缓解水资源短缺的同时加剧了能源危机和温室效应。太阳能驱动界面光热海水蒸发可将太阳能转化为热能,通过加热水体产生清洁的蒸汽再通过冷凝回收的方式得到纯净的淡水,有望成为缓解水资源短缺的一种新的策略。鉴于在自然条件下低效的光热蒸发过程,构建一个
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水资源短缺已成为人类生存和发展过程中一个重大的挑战,海水淡化作为缓解水资源短缺的一种方法受到了广泛的关注。然而目前常用的海水淡化方法需要消耗大量电能或化石能源,在缓解水资源短缺的同时加剧了能源危机和温室效应。太阳能驱动界面光热海水蒸发可将太阳能转化为热能,通过加热水体产生清洁的蒸汽再通过冷凝回收的方式得到纯净的淡水,有望成为缓解水资源短缺的一种新的策略。鉴于在自然条件下低效的光热蒸发过程,构建一个稳定高效的界面型太阳能光热蒸发系统对缓解水资源短缺至关重要。本论文选用半导体光热转换材料,分别以半导体带隙和微纳结构作为切入点研究提高界面型光热蒸发系统光热转换性能的方法。在研究半导体带隙调控光热蒸发性能的工作中,本文以Ti O2作为研究对象,通过带隙调节与光热蒸发性能测试的方法,探究了半导体能带结构和吸光能力及光热转换性能之间的关系,通过实验和模拟计算两种方式明晰了带隙调节提高半导体光热转换材料光热蒸发性能的机理。在带隙调节过程中,本文以半导体Ti O2粉末为原料,通过N掺杂、Ti3+掺杂以及N,Ti3+共掺杂的方式制备了N-Ti O2,Ti3+-Ti O2和N,Ti3+-Ti O2,实验测得原始Ti O2,N-Ti O2,Ti3+-Ti O2和N,Ti3+-Ti O2的光学带隙分别为3.24 e V,3.15 e V,2.23 e V和2.40 e V。同时通过DFT模拟计算得到这四个样品的理论带隙为3.20 e V,3.10 e V,2.20 e V和2.25 e V。随后对这一系列具有不同带隙的半导体Ti O2的光热转换性能进行了测试,结果表明,较窄的带隙有助于提高太阳热转换效率,其中带隙最窄的Ti3+-Ti O2（2.23 e V）实现了高达1.20kg m-2h-1的蒸发速率（光热转换效率为77.1%）。此外,Ti3+-Ti O2还表现出良好的光催化降解能力在研究微纳结构调控光热蒸发性能的工作中,本文以MXene作为研究对象,通过仿生陷光微纳结构的制备与光热蒸发性能测试的方法,探究了半导体微纳结构和吸光能力及光热转换性能之间的关系,通过实验和模拟及计算两种方式明晰了陷光微纳结构减弱表面光反射的机理。在制备陷光微纳结构之前,首先研究了自然界中黑色蝴蝶翅膀特殊的结构,通过FDTD模拟分析了这类结构通过光限域降低表面光反射的机理。然后模仿蝴蝶翅膀,利用半导体MXene材料制备出类似的仿生陷光微纳结构,用此结构修饰r GO（还原氧化石墨烯）膜表面,借助低反射的特性,MXene@r GO复合膜实现了高效光热转换淡化海水。同时,本工作通过对r GO膜层间距进行调控,使r GO膜能有效输送水分子的同时阻隔盐离子与有机污染物。最后,基于仿生结构设计的MXene@r GO膜实现了1.33 kg m-2h-1的蒸发速率和85.2%的光热转换效率,且在海水中进行40次重复光热蒸发测试后,光热转换效率仍能维持在81.4%。
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