纳米过渡金属氧族化合物的太阳能光热蒸汽转化研究

发布时间：2020-05-23 02:02

【摘要】：太阳能蒸汽转化是一种利用绿色清洁能源缓解水资源短缺的技术,在污水处理、海水淡化、蒸馏及灭菌等领域的应用前景较为广阔。界面加热技术的发展极大地提高了蒸汽转化效率,进一步推广了太阳能蒸汽转化技术在实际中的应用。但是,由于太阳能吸收体对光的利用率不高及器件结构设计不够合理等原因,太阳能蒸汽转化器件的蒸发效率并不高,因此,限制了该技术在生产生活中的进一步应用。许多学者致力于设计高效的蒸汽转化器件,以满足实际应用中的需求。为提高器件的蒸发水效率,学者们更加关注光吸收材料的选择、器件结构的优化及器件的稳定性等方面。过渡金属氧族化物(如过渡金属氧化物和二硫化物)的光吸收范围与太阳光谱非常接近,具有宽光谱吸收能力,并且在近红外和可见光范围的消光系数较高。因此,这类材料的光热转换性能非常好,是一种理想的吸光材料。本论文以非化学计量比氧化钨(W18O49)、二硫化钼(MoS2)、二氧化钼(MoO2)为光吸收材料,通过合理的结构设计,制备一种高效的太阳能蒸发水器件。论文的主要研究内容如下:1.W18O49/PTFE复合材料的制备及其在太阳能蒸汽转化的性能研究通过利用丰富的太阳能资源,太阳能蒸汽转化技术多用于蒸汽形成、海水淡化等领域。学者们致力于设计合理的器件结构以提高器件的蒸发效率,包括提高光吸收能力、增强光热转换效率、实现局部加热、具备水传输功能等方面。本章中,我们选择W18049介观晶体作为光热转换材料,并将其负载于亲水的PTFE膜上,以此构成一种高效的太阳能蒸发水器件。非化学计量比W18O49介观晶体与PTFE膜的结合通过XRD、SEM、TEM、XPS等表征手段证明,该器件可吸收太阳光转换成热并实现界面蒸汽转化。该太阳能蒸发水器件的结构可通过SEM和接触角测试仪进行表征,该器件具有一面亲水一面疏水的特点,既能保证器件漂浮于水面,又可为W18049介观晶体加热层提供持续的水分供应。在一个太阳光下照射一小时后,该器件的蒸发水速率可达1.13 kg m-2(膜厚度M/A=9.83 g m-2),蒸发水效率可达80.7%。经计算,W18049@PDMS介观晶体膜在一个太阳光下照射一小时的极限水蒸发速率为1.15 kg m-2,极限蒸发水效率为82%。该器件的模拟海水淡化实验表明,经过处理的水中离子含量低于世界卫生组织(WTO)的饮用水标准。因此,本章中通过合理的结构设计提高了器件的蒸发水效率,为进一步推广太阳能蒸汽转化技术的应用奠定了基础。2.MoS2/玻璃纤维布复合材料的制备及其在太阳能海水淡化的应用太阳能驱动的光热蒸汽技术可以有效缓解水资源短缺的问题。本章中,利用原位水热沉积方法,初步构建了一种基于海绵状MoS2负载于玻璃纤维布(GF)的高效太阳能水蒸发器件。MoS2纳米片均匀包裹在玻璃纤维表而(厚度大约为1 μm),构建了一种三维粗糙表面。在此结构设计下,玻璃纤维布表面的三维纳米结构能够有效增强光的内部散射,MoS2纳米片具有全光谱的光吸收能力,并且玻璃纤维间的缝隙能够为水分和蒸汽提供运输通道。在一个太阳光下,该器件被照射一小时后的蒸发水速率可达1.85 kg m-2,蒸发水效率达94%,而空白GF的蒸发水效率仅28%。采用黄海海水对该器件的海水淡化性能进行表征,结果表明,淡化后水中的离子浓度满足WTO饮用水标准。这种柔性可裁剪的功能化薄膜为提高器件的蒸发水性能提供了一种解决办法。3.耐酸碱MoO2/PTFE复合材料的制备及其在太阳能蒸汽转化的研究在太阳能蒸汽转化应用中,开发高效稳定的光热转换材料极为关键。本章中,我们通过溶剂热法制备了一种基于耐酸碱MoO2纳米球负载于PTFE膜的太阳能蒸发水器件。MoO2纳米球具有宽光谱吸收、抗氧化、耐酸碱的特点,MoO2-PTFE膜的吸收率达92-95%。MoO2在80℃烘箱中加热10 h后,与未经热处理的Moo2的UV-vis吸收光谱对比,吸收性质没有发生明显变化。经pH=3和pH=12的溶液中浸泡5 h后,与未经酸碱处理的Moo2的UV-vis吸收光谱对比,吸收性质没有明显变化,且Mooo2在波长800 nm处的吸光度值分别可保持在原吸光度值的98%和90%以上。此外,PTFE膜是一种非常稳定的材料,具有抗酸碱、耐高温的特征。因此,MoO2-PTFE膜在水、pH=3、pH=12的条件下均能保持稳定且高效的蒸发速率,不同酸碱条件不会对该膜的蒸发性能造成显著影响,该膜的蒸发水速率达1.45 kg m-2，，蒸发水效率达91%。这种耐酸碱、抗氧化的蒸发水器件为该技术在水处理和脱盐等领域的应用提供了一种思路。
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海水淡化技术,太阳能,海水淡化

尤其是高耗能这一点是影响海水淡化成本的关键因素。通常大部分海水淡化逡逑技术的能量来源于化石燃料，而化石燃料燃烧产生的气体会造成各种环境问题，逡逑预计到２０５０年海水淡化工程产生的污染物排放量将达到每年４亿吨碳当量［｜（）’ｎ］。逡逑因此，为海水淡化技术寻找可替代的清洁能源迫在眉睫。可利用的再生能源逡逑有太阳能、水电能、风能等，这类能源与传统能源相比具有廉价、存在范围广、逡逑对环境影响小等特点［１２］。可再生能源在海水淡化中的应用从１９９８年到２０１６年中逡逑从２％增长到了邋２３％，可减少对环境的影响程度，并能降低最终用户的使用成本逡逑【１３－１５］。该领域己经引起了海水淡化和水资源等相关研究人员的关注。Ｓｈａｒｏｎ等人逡逑总结了太阳能在海水淡化方面的应用进展，例如正向渗透、冷冻吸附脱盐等［１６］。逡逑Ｇｈａｆｆｏｕｒ等人报道了可再生能源在传统和新型海水淡化技术中的应用情况［１７］。逡逑传统海水淡化工厂的成本高并且温室气体的产生会对环境造成负面影响，因此，逡逑研究可再生能源在海水淡化中的应用是非常有必要的。逡逑Ｓｏｌａｒ－Ｒａｎｋｉｎｅ邋ＲＯ逦Ｆｒｅｅｚｉｎｇ逡逑

示意图,光热转换,示意图,辐射系数

境温度和辐射系数等，同一个物体在释放热辐射的同时藩－玻尔兹曼定律用于描述高温物体在低温环境中：逡逑Ｐ邋＝邋ｅｏＡ（Ｔ４邋－邋Ｔｃ４）逡逑面积释放的热能，ｓ是物体的辐射系数，Ａ是辐射面积，是环境温度，0斯特藩常量５．６７０３邋ＸＫ＾ＷｎｆｌＣ４。辐性质，决定了物体在给定温度下辐射量，是物体辐射的辐射能量的比值，辐射系数可以作出如下定义：逡逑ｇ邋二邋＿ｇｅｍｉｔ＿ｔｅ＿ｄ（＾Ｌ逡逑＾ｂｌａｃｋｂｏｄｙｉ．＾－＇逡逑（凡Ｄ和是物体和黑体的单位波长⑴以吸收全部的电磁辐射，基于热平衡原理，黑体发射出射，黑体的辐射光谱由它的绝对温度决定，与其形状和不会表现出黑体的性质，物体表面的总能量由反射、吸
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1

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