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光熱轉化效率可達到92.5%:光熱轉化碳纖維研究取得突破
發布者:cspplaza | 來源:中國科學院寧波材料技術與工程研究所 | 0評論 | 29377查看 | 2018-12-14 11:49:14    

太陽能作為(wei)一(yi)種清潔可持續(xu)的(de)(de)綠色能源成(cheng)為(wei)近年來能源轉(zhuan)化利(li)用(yong)的(de)(de)焦點(dian),已經被(bei)廣泛應用(yong)于光伏(fu)發電、光催化及光熱轉(zhuan)化等(deng)領域。其中利(li)用(yong)光熱轉(zhuan)化原理進行海水(shui)(shui)淡化,是(shi)一(yi)種低(di)成(cheng)本、低(di)維護的(de)(de)海水(shui)(shui)淡化技(ji)術(shu)。目前的(de)(de)光熱轉(zhuan)化材(cai)料主要有(you)碳基材(cai)料、等(deng)離激(ji)元(yuan)材(cai)料以及半導體材(cai)料等(deng),上(shang)述材(cai)料由于其自(zi)身的(de)(de)物理化學穩定性,在高鹽(yan)霧、高溫度(du)、高濕度(du)以及高腐蝕等(deng)極(ji)端環境下存(cun)在應用(yong)局限,比(bi)如高鹽(yan)海水(shui)(shui)(10wt%)、苦咸水(shui)(shui)、強極(ji)性有(you)機溶劑、油水(shui)(shui)乳液等(deng)多介質的(de)(de)分離及純化等(deng)。


為(wei)(wei)解決上(shang)述問題,中國科學院寧波材料技術與(yu)工程(cheng)研(yan)究所先進(jin)功能膜(mo)團(tuan)隊(dui)研(yan)究員劉富設(she)計并制備了一種具有超穩定(ding)環(huan)境耐受性(xing)(xing)的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)材料,用(yong)于光(guang)(guang)熱(re)轉化(hua)多(duo)介(jie)質(zhi)純(chun)化(hua)。研(yan)究團(tuan)隊(dui)通過(guo)水(shui)熱(re)合(he)成技術在(zai)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)表(biao)(biao)面引入(ru)穩定(ding)的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)層,提高表(biao)(biao)面粗(cu)糙度,比表(biao)(biao)面積增加到0.5m2g,在(zai)波長為(wei)(wei)200-2500nm的(de)(de)(de)光(guang)(guang)吸收(shou)由改性(xing)(xing)前的(de)(de)(de)89%提升到97%;并且碳(tan)(tan)化(hua)改性(xing)(xing)過(guo)程(cheng)中有部(bu)分極性(xing)(xing)官能團(tuan)引入(ru),改性(xing)(xing)后的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面極性(xing)(xing)提高,極性(xing)(xing)表(biao)(biao)面能提高到20mM/m,使得碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)能夠依(yi)靠纖(xian)(xian)維(wei)(wei)之間的(de)(de)(de)毛細力對液體(水(shui)或者有機溶劑(ji))進(jin)行(xing)(xing)自提取,不需(xu)要附(fu)加額外的(de)(de)(de)汲(ji)取材料,簡化(hua)了太陽(yang)能蒸發器件的(de)(de)(de)設(she)計。編織后的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)(wei)層可直接作為(wei)(wei)汲(ji)水(shui)及光(guang)(guang)熱(re)轉化(hua)層進(jin)行(xing)(xing)多(duo)種介(jie)質(zhi)的(de)(de)(de)純(chun)化(hua)。


實驗結(jie)果表明,碳(tan)(tan)化(hua)改性后的(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)的(de)(de)(de)(de)光(guang)熱(re)(re)轉化(hua)效(xiao)率(lv)(lv)可(ke)(ke)達(da)到92.5%,在一(yi)(yi)個(ge)(ge)標(biao)準太(tai)(tai)陽下(xia)對(dui)(dui)(dui)海水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)光(guang)熱(re)(re)轉化(hua)速(su)率(lv)(lv)達(da)到1.47Kgm-2h-1,在五個(ge)(ge)標(biao)準太(tai)(tai)陽下(xia)光(guang)熱(re)(re)轉化(hua)速(su)率(lv)(lv)為~5.86Kgm-2h-1,并(bing)且對(dui)(dui)(dui)高(gao)鹽(yan)海水(shui)(shui)(shui)(模擬(ni)死海海水(shui)(shui)(shui),鹽(yan)濃(nong)度(du)10wt%)具(ju)有(you)長(chang)期穩定的(de)(de)(de)(de)脫鹽(yan)效(xiao)果,碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)蒸餾(liu)器在室外連(lian)續運行(xing)10天(tian),每天(tian)的(de)(de)(de)(de)產(chan)水(shui)(shui)(shui)量(liang)穩定在~7Kgm-2,并(bing)保持(chi)穩定的(de)(de)(de)(de)機(ji)械(xie)強度(du)。由(you)于(yu)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)豐富的(de)(de)(de)(de)多級纖(xian)(xian)維(wei)結(jie)構及(ji)良(liang)(liang)好(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)毛細汲水(shui)(shui)(shui)能力,對(dui)(dui)(dui)于(yu)高(gao)鹽(yan)海水(shui)(shui)(shui)在纖(xian)(xian)維(wei)表面的(de)(de)(de)(de)結(jie)晶具(ju)有(you)良(liang)(liang)好(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)溶(rong)(rong)(rong)解(jie)及(ji)自修復能力,結(jie)晶析出在碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)表面的(de)(de)(de)(de)鹽(yan)經(jing)過一(yi)(yi)晚上靜置,會重新溶(rong)(rong)(rong)解(jie)到海水(shui)(shui)(shui)中(zhong),從而不會影響碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)的(de)(de)(de)(de)光(guang)熱(re)(re)轉化(hua)效(xiao)果。此外,改性后的(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)纖(xian)(xian)維(wei)對(dui)(dui)(dui)于(yu)水(shui)(shui)(shui)包(bao)油乳液(非(fei)揮發性硅油)具(ju)有(you)良(liang)(liang)好(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)去(qu)除效(xiao)果,水(shui)(shui)(shui)中(zhong)硅油含量(liang)可(ke)(ke)由(you)10000ppm降低到11.9ppm;可(ke)(ke)對(dui)(dui)(dui)印(yin)染(ran)行(xing)業中(zhong)含染(ran)料(liao)的(de)(de)(de)(de)有(you)機(ji)溶(rong)(rong)(rong)劑如二(er)甲基乙(yi)(yi)酰(xian)胺進(jin)行(xing)純化(hua),表現(xian)出良(liang)(liang)好(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)脫色及(ji)純化(hua)效(xiao)果,染(ran)料(liao)去(qu)除率(lv)(lv)達(da)99.99%,蒸發速(su)率(lv)(lv)為0.98Kgm-2h-1,并(bing)且可(ke)(ke)以長(chang)期耐受強極性有(you)機(ji)溶(rong)(rong)(rong)劑二(er)甲基乙(yi)(yi)酰(xian)胺(浸泡(pao)10天(tian)),其機(ji)械(xie)強度(du)不發生變化(hua)。


上述結果表明碳化改性碳纖維(wei)材料(liao),在(zai)多介質純化領(ling)域(yu)具有(you)廣闊的(de)(de)(de)應(ying)用前(qian)景,如高鹽海水(shui)脫鹽、有(you)機溶劑脫色、油(you)水(shui)乳液脫油(you)等,大(da)大(da)拓展了目前(qian)碳纖維(wei)以(yi)及光熱轉(zhuan)化材料(liao)在(zai)溶劑純化方面的(de)(de)(de)應(ying)用領(ling)域(yu)。該(gai)成果以(yi)Ultra-robust carbon fibers for multi-media purification via solar-evaporation 為(wei)題發表于(yu)Journal of Materials Chemistry A (DOI: 10.1039/c8ta08829b)。博士生李田田和副研究(jiu)員(yuan)方齊樂為(wei)該(gai)論文的(de)(de)(de)共同第(di)一作者(zhe)(zhe),劉(liu)富為(wei)該(gai)論文的(de)(de)(de)通訊(xun)作者(zhe)(zhe)。


上述(shu)研究工作得(de)到國家自然科學基金(51673209, 5161101025)、中(zhong)科院青(qing)促會(2014258)、寧(ning)波(bo)市科技局(2014B81004, 2017C110034)等的支(zhi)持。寧(ning)波(bo)材料所特(te)纖(xian)事業(ye)部研究員陳友汜和博士(shi)生(sheng)席(xi)先鋒對(dui)該工作提(ti)供了支(zhi)持。


碳化改性碳纖維.webp.jpg

圖:碳(tan)化(hua)改(gai)性碳(tan)纖(xian)維光熱轉化(hua)性能 


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圖:碳化改性(xing)碳纖維對水包(bao)油乳液和含染(ran)料有機溶劑的純(chun)化性(xing)能(neng) 

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