高效的太陽能蒸汽產(chǎn)生（SSG）依賴于相干光熱材料出色的光吸收，足夠的水傳輸，大的蒸發(fā)面積以及高的熱利用能力。但尚無將這些功能整合到整體結(jié)構(gòu)上的通用方法，其在化學(xué)組成和孔結(jié)構(gòu)方面具有設(shè)計(jì)靈活性。

基于以上現(xiàn)狀，桂林電子科技大學(xué)苗蕾、周建華等在國際知名期刊NanoEnergy上發(fā)表題為“Integrated photothermal aerogels with ultra high-performance solar steamgeneration”的論文。Yufei Gu為本文第一作者。

本文設(shè)計(jì)并演示了一種通用的殼聚糖（CS）氣凝膠，該氣凝膠易于與其他光熱材料兼容以實(shí)現(xiàn)高效SSG。CS氣凝膠是通過液相一鍋法冷凍干燥合成的，沒有任何交聯(lián)劑。CS復(fù)合氣凝膠不僅保留了CS氣凝膠的初始特性，而且還集成了生物相容性，親水性和高絕熱性能，并通過設(shè)計(jì)的多孔結(jié)構(gòu)通過集光和多重散射的作用增強(qiáng)了光吸收能力。

與CS氣凝膠復(fù)合并通過凍干機(jī)（PP0.1CS1.5-L）冷凍干燥的碳化柚皮顆粒表現(xiàn)出出色的SSG性能，蒸發(fā)速率高達(dá)1.78kgm-2h-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了正常太陽輻射為1kWm-2的二維SSG系統(tǒng)。這項(xiàng)研究為輕巧地制造可重復(fù)使用，低成本，無毒和高性能的功能性氣凝膠開辟了一條新途徑。

1.太陽能蒸汽發(fā)電的研究現(xiàn)狀

受地球水循環(huán)的啟發(fā)，利用光熱轉(zhuǎn)化材料直接驅(qū)動(dòng)加速水蒸發(fā)并收集系統(tǒng)中的清水的太陽能蒸汽發(fā)電（SSG）在污水處理和海水淡化中具有巨大的潛力。SSG的太陽能熱轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)的散裝水加熱要高得多，尤其是在界面系統(tǒng)中，充當(dāng)太陽能吸收劑的光熱轉(zhuǎn)換材料層可以漂浮在空氣-水界面處并實(shí)現(xiàn)局部加熱。

通常，高性能太陽能蒸汽發(fā)生器需要具備以下特征：對(duì)太陽光的吸收極好；充足的供水；高的熱管理能力；蒸發(fā)面積大。

最近，已經(jīng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化了熱管理和水輸送/蒸發(fā)路徑，以進(jìn)一步減少熱量損失，增加蒸發(fā)面積以提高轉(zhuǎn)化效率。作為SSG的核心能量轉(zhuǎn)換組件，需要具有綜合性能的光熱材料。已探索的候選材料包括碳基材料，貴金屬納米顆粒和窄帶隙半導(dǎo)體，用于各種聚合物。已經(jīng)設(shè)計(jì)了光熱轉(zhuǎn)換材料以形成多孔微結(jié)構(gòu)或?qū)⑵溲b載在額外的多孔基材上，這將增加散射引起的光捕獲。裝載在多孔膜上的光熱材料比相同量的裝載在平面膜上的材料具有更好的光捕獲能力，光吸收率從60％提高到99％。

最近，通過水熱和冷凍干燥工藝合成的還原型氧化石墨烯（rGO）氣凝膠顯示出三維（3D）多孔結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致寬帶光吸收和高達(dá)90％的太陽到蒸氣傳遞效率。但是，rGO的準(zhǔn)備過程復(fù)雜，昂貴且耗時(shí)。rGO氣凝膠太脆弱，無法回收利用，這限制了其在SSG中的廣泛應(yīng)用。此外，由碳化酚醛樹脂生產(chǎn)的碳基氣凝膠也存在類似問題。

2.聚合物光熱材料的研究現(xiàn)狀及存在的問題

取而代之的是，聚合物光熱材料具有巨大的優(yōu)勢，因?yàn)樗鼈內(nèi)彳洠阋?，可在整料中制造，并且易于功能化為?fù)合材料。以3D光熱錐形態(tài)制備了涂覆在聚偏二氟乙烯膜上的聚吡咯，其光吸收率為99％，蒸發(fā)速率為1.70kgm-2h-1。精心設(shè)計(jì)了炭黑涂層纖維素層和棉芯的復(fù)合材料，以形成具有高蒸發(fā)面積和低投影比的圓柱陣列。在僅0.25kWm-2的光照下，蒸發(fā)速率為0.89kgm-2h-1。

通過這種精心設(shè)計(jì)，提高了性能是由于減少了頂表面的能量損失以及從側(cè)面獲得的補(bǔ)充能量。在我們以前的工作中，開發(fā)了模擬樹系統(tǒng)（MTS），其太陽熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)91.3％。用作MTS根部的氣流成網(wǎng)紙將太陽能吸收層與散裝水分開，這不僅為SSG提供了足夠的水，而且還降低了向散裝水的熱傳導(dǎo)并提高了熱利用效率。

膨脹聚乙烯（EPE）泡沫也用于包裹MTS，以抑制熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中?；跀?shù)值模型，總熱損失約占總傳入太陽能的7.4％，從而確保了MTS中出色的熱管理和高效的SSG。具有三層壓花結(jié)構(gòu)的MTS中的納米油墨染色的聚乙烯醇海綿在1陽光照射下的蒸發(fā)速率提高了7.2倍，是純水的蒸發(fā)速率。

由于SSG中使用的上述材料直接從商品獲得，因此它們的孔結(jié)構(gòu)是固定的。難以根據(jù)其孔結(jié)構(gòu)來調(diào)整光吸收特性。此外，當(dāng)功能組分被集成以形成復(fù)合物時(shí)，合成過程變得更加復(fù)雜。因此，開發(fā)一種容易且對(duì)環(huán)境友好的途徑來形成用于SSG的具有可調(diào)節(jié)孔結(jié)構(gòu)的聚合物整料仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

圖1：圖片概要

在這項(xiàng)工作中，作者設(shè)計(jì)并演示了一種通用的殼聚糖（CS）氣凝膠，該氣凝膠可與其他光熱材料兼容，以實(shí)現(xiàn)SSG的高效率。CS是一種從貝類中提取的可持續(xù)材料，由于其具有豐富的羥基和酰胺原，因此對(duì)重金屬離子具有優(yōu)異的吸收能力，并且在水污染處理，食品包裝，藥物載體，和傷口修復(fù)。

CS氣凝膠是通過液相一鍋法冷凍干燥合成的，沒有任何交聯(lián)劑，其中CS氣凝膠的孔徑和結(jié)構(gòu)可通過改變冷凍干燥技術(shù)來調(diào)節(jié)。通過冷凍干燥機(jī)（CS1.5-L）制備的CS濃度為1.5wt％的氣凝膠的孔隙率為96％，導(dǎo)熱系數(shù)較低，為0.033Wm-1K-1，并且負(fù)載能力非常大。物料的內(nèi)徑超過自重的8565倍，而沒有明顯的變形。

此外，作者證明了液相一鍋法冷凍干燥法制備CS型復(fù)合氣凝膠的可行性，該方法是將光熱顆?；蚍稚⒁号cCS溶液混合，然后直接冷凍澆鑄。所獲得的復(fù)合CS氣凝膠不僅保留了CS氣凝膠的初始特性，而且還基于多孔結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了光吸收能力，從而獲得了適于改善MTS裝置中SSG性能的值。

在這些CS復(fù)合氣凝膠中，與CS氣凝膠復(fù)合并通過凍干機(jī)（PP0.1CS1.5-L）冷凍干燥的碳化柚皮（PP）顆粒具有出色的SSG性能，蒸發(fā)速率高達(dá)1.78kgm-2h-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了二維（2D）SSG系統(tǒng)在正常的1kWm-2的太陽輻射下所能達(dá)到的范圍。

這種環(huán)保，易相容且用途廣泛的CS氣凝膠，具有易于調(diào)節(jié)的孔隙結(jié)構(gòu)，可滿足高性能和大規(guī)模生產(chǎn)SSG的光熱材料的要求。

光熱材料氣凝膠集成了增強(qiáng)的光吸收，便捷的水傳輸和提高的熱利用率。

?高達(dá)1.781.kgm-2h-1的蒸發(fā)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了二維SSG系統(tǒng)在1kWm-2的正常太陽輻射下所能達(dá)到的蒸發(fā)速率。

?殼聚糖氣凝膠易于與其他光熱材料兼容，以產(chǎn)生高效的太陽能蒸汽。

?復(fù)合氣凝膠的孔徑和結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)冰的形成方向和凍結(jié)溫度來輕松控制。

圖2：集成光熱轉(zhuǎn)換氣凝膠的制作過程：The fabrication of Integrated photothermal conversion aerogel . Schematic of the solid-liquid (powder in CS solution) and liquid-liquid (dispersion in CS solution) one-pot freeze drying fabrication process and the mechanism of CS-based composite aerogelin SSG.