酞菁基太阳能蒸发体制备及水蒸发与热-电转换性质研究

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淡水资源短缺、化石能源过度开采等问题已经引起人们的广泛关注与研究。太阳能作为一种清洁、可持续发展的绿色能源已经成为研究的热点,而设计研究出具有高效光热转换能力的太阳能蒸发体材料则成为了核心问题。目前的有机光热材料由于吸收性差、光热转换能力弱等因素未得到广泛应用。因此,本文构筑了一种酞菁基有机光热小分子(4OCSPC)和具有优秀光热特性的太阳能蒸发体(PU+4OCSPC)。本文主要的研究内容分为以下三个方面:(1)基于酞菁的光热材料的基本性质研究酞菁的溶解性差和吸收范围较窄的缺点限制了它的实际应用,因此在酞菁的α位修饰烷氧基团以改善其在有机溶剂中的溶解性;在β位修饰噻吩基团以增加其共轭程度,使其吸收光谱得以红移。聚集态时,4OCSPC具有300-1000 nm的吸收光谱,仅0.13%的荧光量子效率;在800 nm处摩尔消光系数为4.1×10~5 L mol-1 cm-1。4OCSPC在激光下和太阳光下都具备优秀的光热转换能力以及稳定性,激光下和标准太阳光下的光热转换效率分别为69.2%和17.3%。综上所述,4OCSPC是具备宽光谱吸收、高摩尔消光系数、优秀光热特性的有机小分子材料,为有机材料在太阳能转换领域的应用提供了新的思路。(2)基于酞菁的太阳能蒸发体的构筑及其水蒸发性能研究太阳能光热转换效率主要取决于太阳能蒸发体的构筑。本文选择聚氨酯软泡(PU)作为构建太阳能蒸发体的载体材料,与4OCSPC相结合得到一种高光热转换能力的太阳能蒸发体(PU+4OCSPC)。PU+4OCSPC的导热系数为0.048 W m-1 k-1,并且在1个标准太阳光强度下可升温至66.5℃,表明PU+4OCSPC具备良好的光热转换性能和保温能力。我们将其应用到水蒸发中,在1个标准太阳光强度下太阳能转化为蒸汽的效率和速率经测得为86.6%和1.262 kg m-2 h-1;此外将其应用到海水中,实现了有效的海水脱盐效果。实验表明,PU+4OCSPC是一种很有前途的太阳能蒸发体,淡化海水的脱盐效果显著。(3)基于酞菁的水蒸发热电转换一体化器件的构筑及其性能研究由于4OCSPC卓越的光热性能,本文将此材料应用于构筑温差发电装置、一体化装置中。在1、2、5个标准太阳光强度下,电压分别可达124 m V、186 m V和221 m V;在强太阳光下,所产生的电压可驱动小风扇快速转动,转速可达104 r/min。接下来本文搭建了热电转换与水蒸发同步进行的装置,可以实现温差发电与水蒸发并行。在1个标准太阳光强度下,水蒸发效率可达66.8%,此时输出的电压信号为55 m V;此外在2、5个标准太阳光强度下,所产生的电压分别为135 m V和204 m V。综上所述,基于4OCSPC的一体化器件可以在达到较高的水蒸发效率的同时,利用其余热进行发电,实现了水蒸发与发电并行的策略,为偏远地区获取淡水和电能提供了潜在的机会。
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