【摘 要】
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水是人类生存和发展不可缺少的重要资源。虽然地球表面被水覆盖面积超过71%,但是只有不到3%的水资源可以被人类直接使用。此外,可用的水资源也是分布不均的,许多国家和地区的人们由于缺乏清洁的饮用水而引发各种疾病。因此,获取清洁的水资源已成为当下急需解决的重要问题之一。传统的海水淡化和污水处理方法,如膜过滤、蒸馏工艺和反渗透技术,不仅消耗大量的电力和其它资源,而且不符合可持续发展的理念。作为一种有望解决
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水是人类生存和发展不可缺少的重要资源。虽然地球表面被水覆盖面积超过71%,但是只有不到3%的水资源可以被人类直接使用。此外,可用的水资源也是分布不均的,许多国家和地区的人们由于缺乏清洁的饮用水而引发各种疾病。因此,获取清洁的水资源已成为当下急需解决的重要问题之一。传统的海水淡化和污水处理方法,如膜过滤、蒸馏工艺和反渗透技术,不仅消耗大量的电力和其它资源,而且不符合可持续发展的理念。作为一种有望解决地球上水资源短缺问题的可持续、绿色、高效的新技术,太阳能蒸汽技术被广泛研究。通过吸收太阳光,太阳能光热蒸发器将光能直接转换为热能,从而使液态水转变为汽态水蒸汽,然后收集水蒸汽使其液化得到清洁的水资源。蒸发器件的光热转换效率主要取决于器件的光吸收、热管理和水供应能力。因此,设计并制备高效太阳能蒸发器是获取清洁水的重要途径。本论文围绕材料的光吸收和器件的热管理及水供应三个因素,开发具有高效光吸收能力的黑色氧化钛及其复合物作为光热转换材料。同时,通过特定的基体结构设计,使得蒸发器件具有良好热管理和水供应能力,实现高效太阳能蒸汽效率。取得的主要研究结果如下:1.黑色氧化钛/木材复合材料（BTW）的制备及其光热转换性能研究:以天然木材为基底,通过一步水热法和一步还原法,成功制备了具有高效光吸收能力的BTW太阳能蒸发器。黑色氧化钛不仅自身具有宽带光吸收能力,同时,桑葚状结构增强了光在其内部的反射和折射频率,增强蒸发器的光吸收效率。因此,BTW太阳能蒸发器具有～96%的光谱（200-2000 nm）高效光吸收特性。同时,天然木材具有垂直的水通道结构,其特殊的结构使得蒸发器具有优异的热管理能力和水供应能力。在一个太阳辐射下(1 k W m-2),BTW的蒸汽速率为2.04 kg m-2h-1,其太阳能蒸汽效率为90.06%。此外,黑色氧化钛表现出优异的光催化降解能力,在一个太阳辐射下,光照90 min,对甲基橙（MO）和四环素（TCY）溶液的降解效率分别为90%和50%。该太阳能蒸发器能够同时进行海水淡化和有机污染物降解,在产生清洁水方向开辟了一条新途径。2.黑色氧化钛/MXene三维倒锥形水凝胶（Ti Ox MPH）的制备及其光热转换性能研究:将表面负载黑色氧化钛纳米颗粒的MXene结构Ti3C2作为复合光吸收材料。然后将复合材料与聚乙烯醇（PVA）溶液进行混合、成模,制备三维倒锥形复合水凝胶蒸发器。由于黑色氧化钛/MXene复合材料优异的光吸收能力,及其蒸发器表面特殊的倒锥形结构,使得Ti Ox MPH太阳能蒸发器具有～95%的全光谱（200-2500 nm）高效吸光特性。同时,水凝胶具有极强的吸水能力和热管理能力。在一个太阳光强照射下(1 k W m-2),蒸发器的蒸汽速率为1.87 kg m-2h-1。得益于制备简单、性能优异和绿色环保等优良特性,该复合三维倒锥形水凝胶太阳能蒸发器具有广阔的发展前景和应用价值。
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