Nano Energy: 用于高效光熱脫鹽的黑色多孔鋁-鈦-氧納米結構的合成

【引言】

太陽光提供了足夠的可再生能源,有潛能轉化為熱能。用于蒸汽生成、住宅供熱、海水淡化、污水處理，然而低廉高效光熱材料的探索仍然面臨許多挑戰。本篇文章報道了一種新的鋁-鈦-氧的納米結構，該結構具有可調的顏色，從灰色到黑色，耦合了鋁納米顆粒的等離子體效應特征和黑色二氧化鈦的高光活性，優化的黑色鋁-鈦-氧納米結構展現了寬的光吸收能力，幾乎覆蓋了太陽光譜的90.32%。值得注意的是黑色鋁-鈦-氧混合體可組裝成微孔薄膜，該薄膜可以自然的漂浮在水面用于光熱脫鹽應用，在模擬的太陽光輻照下展現了77.52%的脫鹽效率，在持續運行下表現了顯著的穩定性。研究人員設計并制備了太陽能海水淡化系統，展現了實際應用的可行性，在每天有效8小時陽光時間，大約820W m^-2 的太陽能輻照下，它生產純水的速率為0.50kg m^-2 h^-1 或是4L m^-2 day^-1。黑色鋁-鈦-氧納米混合體表現了很多優勢，包括高的光熱效率、可行性的可擴展性合成、價格低廉、可以制成階梯石級用于商用太陽能脫鹽。

【成果簡介】

中科院福建物質結構研究所溫珍海教授、浙江大學侯陽研究員、南昌航空大學羅勝聯教授（共同通訊作者）于9月28日在Nano Energy 發表了題為“Scalable and Low-cost Synthesis of Black Amorphous Al-Ti-O Nanostructure for High-efficient Photothermal Desalination”的研究論文，報道了一種靈活的處理方式，通過球磨商用二氧化鈦和鋁顆粒的低廉前驅體制備黑色鋁-鈦-氧納米混合體。其中AT-X(A代表鋁、T代表鈦、X 為球磨時間 )，AT-X-H⁺( H⁺代表酸根)。研究結果表明AT-X薄膜相較于AT-X-H⁺薄膜具有更高的光熱轉化效率，是純PVDF薄膜的1.65倍以上。此外，AT-20薄膜的光熱蒸發效率達到了64.46%，而AT-20-H⁺薄膜的光熱蒸發效率為51.87%，同時為無薄膜下純水蒸發效率的2倍。此外，，AT-20薄膜表現出了很穩定的光熱穩定性。0.8g的AT-20摻入到1gPVDF形成的復合薄膜蒸發率可以達到1.24 kgm^-2h^-1，相應的光熱蒸發效率為77.52%，高于純水蒸發效率的2.4倍。制備的黑色鋁-鈦-氧納米混合體具有90.23%的太陽能吸收效率。自漂浮的微孔PVDF薄膜含有黑色鋁-鈦-氧混合體展現出了高達77.5%的太能脫鹽效率，在模擬的太陽能輻照下，人造海水的鹽分含量呈六個數量級的衰減并且具有超好的循環穩定性。同時，在實際的太能輻照下，報道的基于黑色鋁-鈦-氧納米混合體的太陽能脫鹽系統生產純水的速率為0.50kg m^-2 h^-1。

【圖文導讀】

圖1：鋁鈦-X和鋁鈦-X-H⁺基本表征

(a)插圖為鋁鈦-X的光學照片和他們相應的粉體XRD 圖譜。

(b)鋁鈦-X的太陽光譜輻照和紫外-近紅外輻照漫反射譜。

(c)鋁鈦-X-H⁺的太陽光譜輻照和紫外-近紅外輻照漫反射譜。

(d)分別表示了鋁鈦-X和鋁鈦-X-H⁺在整個太陽能光譜輻照的吸收能力。

圖2：鋁鈦-X和鋁鈦-X-H⁺的形貌表征

(a)鋁鈦-1的透射電子顯微圖像。

(b)鋁鈦-10的透射電子顯微圖像。

(c)鋁鈦-20的透射電子顯微圖像。

(d)鋁鈦-1的高分辨透射電子顯微圖像。

(e)鋁鈦-10的高分辨透射電子顯微圖像。

(f)鋁鈦-20的高分辨透射電子顯微圖像。

(g)鋁鈦-10的選區電子衍射圖譜。

(h)鋁鈦-10的選區電子衍射圖譜。

(i)鋁鈦-20的選區電子衍射圖譜。

(j)鋁鈦-20的能譜元素分析譜。

(k)鋁鈦-20的高角環形暗場像-掃描透射電子像和能量色散X射線元素譜。

圖3：鋁鈦-X和鋁鈦-X-H⁺的XPS和EPR圖譜

(a)鋁鈦-0、鋁鈦-20、鋁鈦-20-H⁺ 的XPS 圖譜測試。

(b)O 1s 高分辨XPS 圖譜。

(c)Ti 2p高分辨XPS 圖譜。

(d)鋁鈦-0、鋁鈦-20、鋁鈦-20-H⁺ 中鋁 2p高分辨XPS 圖譜。

(e)常溫下鋁鈦-0、鋁鈦-20、鋁鈦-20-H⁺ 的電子順磁共振圖譜。

圖4：鋁鈦-20 薄膜的制備與形貌表征

(a)光熱薄膜的制備概要。

(b)鋁鈦-20 薄膜的數字照片。

(c)一組鋁鈦-X薄膜。

(d)一組鋁鈦-X-H⁺ 薄膜。

(e-g) 鋁鈦-20薄膜的頂面、截面、底面 的SEM圖像。

圖5：鋁鈦-X薄膜物理性能測試

(a)用于太陽能脫鹽的實驗設備簡圖。

(b)蒸汽發生裝置的數字照片，插圖為薄膜漂浮在水的表面。

(c)在1000W m^-2照明下，含有鋁鈦-X的薄膜蒸發水的重量與時間的函數圖。

(d)在1000W m^-2照明下，不含有鋁鈦-X的薄膜蒸發水的重量與時間的函數圖。

(e)在1000W m^-2照明下，鋁鈦-X和鋁鈦-X-H⁺薄膜的太陽能效率。

(f)在1000W m^-2照明下，鋁鈦-20薄膜的蒸發循環性能，每次循環維持一小時。所有試驗在23°和濕度為55%的條件下進行。

圖6：基于鋁鈦-20脫鹽系統的制備與測試

(a)太陽能蒸發器的設備簡圖。

(b)太陽能海水脫鹽系統的獨立設計和制備。

(c)在自制的海水樣品脫鹽前后，四種主要離子(Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、) Ti⁴⁺ 和Al³⁺的濃度測試。

【小結】

研究人員研發了靈活的和環境友好的球磨工藝制備黑色鋁-鈦-氧納米混合體，該混合體對太陽光吸收性能達到了90.23%。受益于黑色二氧化鈦的超強光吸收以及鋁表面的等離子體諧振效應，鋁-鈦-氧混合體構建的薄膜展現了高的光熱效率和有效的太陽能脫鹽性。黑色的鋁-鈦-氧 納米混合體表現出無毒優、原材料豐富和制備工藝靈活等諸多優勢，因此使太陽能脫鹽得可行性提供了方案。黑色的鋁-鈦-氧納米混同時也在其他方面的應用展現了一定的潛能。例如，光熱催化、光熱能量發生器、大面積熱收集系統等領域。

文獻鏈接：Yi L, Ci S, Luo S, et al. Scalable and Low-cost Synthesis of Black Amorphous Al-Ti-O Nanostructure for High-efficient Photothermal Desalination[J]. Nano Energy, 2017.

本文由材料人編輯部趙春林編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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