Nano Energy: 用于高效光热脱盐的黑色多孔铝-钛-氧纳米结构的合成

【引言】

太阳光提供了足够的可再生能源,有潜能转化为热能。用于蒸汽生成、住宅供热、海水淡化、污水处理，然而低廉高效光热材料的探索仍然面临许多挑战。本篇文章报道了一种新的铝-钛-氧的纳米结构，该结构具有可调的颜色，从灰色到黑色，耦合了铝纳米颗粒的等离子体效应特征和黑色二氧化钛的高光活性，优化的黑色铝-钛-氧纳米结构展现了宽的光吸收能力，几乎覆盖了太阳光谱的90.32%。值得注意的是黑色铝-钛-氧混合体可组装成微孔薄膜，该薄膜可以自然的漂浮在水面用于光热脱盐应用，在模拟的太阳光辐照下展现了77.52%的脱盐效率，在持续运行下表现了显著的稳定性。研究人员设计并制备了太阳能海水淡化系统，展现了实际应用的可行性，在每天有效8小时阳光时间，大约820W m^-2 的太阳能辐照下，它生产纯水的速率为0.50kg m^-2 h^-1 或是4L m^-2 day^-1。黑色铝-钛-氧纳米混合体表现了很多优势，包括高的光热效率、可行性的可扩展性合成、价格低廉、可以制成阶梯石级用于商用太阳能脱盐。

【成果简介】

中科院福建物质结构研究所温珍海教授、浙江大学侯阳研究员、南昌航空大学罗胜联教授（共同通讯作者）于9月28日在Nano Energy 发表了题为“Scalable and Low-cost Synthesis of Black Amorphous Al-Ti-O Nanostructure for High-efficient Photothermal Desalination”的研究论文，报道了一种灵活的处理方式，通过球磨商用二氧化钛和铝颗粒的低廉前驱体制备黑色铝-钛-氧纳米混合体。其中AT-X(A代表铝、T代表钛、X 为球磨时间 )，AT-X-H⁺( H⁺代表酸根)。研究结果表明AT-X薄膜相较于AT-X-H⁺薄膜具有更高的光热转化效率，是纯PVDF薄膜的1.65倍以上。此外，AT-20薄膜的光热蒸发效率达到了64.46%，而AT-20-H⁺薄膜的光热蒸发效率为51.87%，同时为无薄膜下纯水蒸发效率的2倍。此外，，AT-20薄膜表现出了很稳定的光热稳定性。0.8g的AT-20掺入到1gPVDF形成的复合薄膜蒸发率可以达到1.24 kgm^-2h^-1，相应的光热蒸发效率为77.52%，高于纯水蒸发效率的2.4倍。制备的黑色铝-钛-氧纳米混合体具有90.23%的太阳能吸收效率。自漂浮的微孔PVDF薄膜含有黑色铝-钛-氧混合体展现出了高达77.5%的太能脱盐效率，在模拟的太阳能辐照下，人造海水的盐分含量呈六个数量级的衰减并且具有超好的循环稳定性。同时，在实际的太能辐照下，报道的基于黑色铝-钛-氧纳米混合体的太阳能脱盐系统生产纯水的速率为0.50kg m^-2 h^-1。

【图文导读】

图1：铝钛-X和铝钛-X-H⁺基本表征

(a)插图为铝钛-X的光学照片和他们相应的粉体XRD 图谱。

(b)铝钛-X的太阳光谱辐照和紫外-近红外辐照漫反射谱。

(c)铝钛-X-H⁺的太阳光谱辐照和紫外-近红外辐照漫反射谱。

(d)分别表示了铝钛-X和铝钛-X-H⁺在整个太阳能光谱辐照的吸收能力。

图2：铝钛-X和铝钛-X-H⁺的形貌表征

(a)铝钛-1的透射电子显微图像。

(b)铝钛-10的透射电子显微图像。

(c)铝钛-20的透射电子显微图像。

(d)铝钛-1的高分辨透射电子显微图像。

(e)铝钛-10的高分辨透射电子显微图像。

(f)铝钛-20的高分辨透射电子显微图像。

(g)铝钛-10的选区电子衍射图谱。

(h)铝钛-10的选区电子衍射图谱。

(i)铝钛-20的选区电子衍射图谱。

(j)铝钛-20的能谱元素分析谱。

(k)铝钛-20的高角环形暗场像-扫描透射电子像和能量色散X射线元素谱。

图3：铝钛-X和铝钛-X-H⁺的XPS和EPR图谱

(a)铝钛-0、铝钛-20、铝钛-20-H⁺ 的XPS 图谱测试。

(b)O 1s 高分辨XPS 图谱。

(c)Ti 2p高分辨XPS 图谱。

(d)铝钛-0、铝钛-20、铝钛-20-H⁺ 中铝 2p高分辨XPS 图谱。

(e)常温下铝钛-0、铝钛-20、铝钛-20-H⁺ 的电子顺磁共振图谱。

图4：铝钛-20 薄膜的制备与形貌表征

(a)光热薄膜的制备概要。

(b)铝钛-20 薄膜的数字照片。

(c)一组铝钛-X薄膜。

(d)一组铝钛-X-H⁺ 薄膜。

(e-g) 铝钛-20薄膜的顶面、截面、底面 的SEM图像。

图5：铝钛-X薄膜物理性能测试

(a)用于太阳能脱盐的实验设备简图。

(b)蒸汽发生装置的数字照片，插图为薄膜漂浮在水的表面。

(c)在1000W m^-2照明下，含有铝钛-X的薄膜蒸发水的重量与时间的函数图。

(d)在1000W m^-2照明下，不含有铝钛-X的薄膜蒸发水的重量与时间的函数图。

(e)在1000W m^-2照明下，铝钛-X和铝钛-X-H⁺薄膜的太阳能效率。

(f)在1000W m^-2照明下，铝钛-20薄膜的蒸发循环性能，每次循环维持一小时。所有试验在23°和湿度为55%的条件下进行。

图6：基于铝钛-20脱盐系统的制备与测试

(a)太阳能蒸发器的设备简图。

(b)太阳能海水脱盐系统的独立设计和制备。

(c)在自制的海水样品脱盐前后，四种主要离子(Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、) Ti⁴⁺ 和Al³⁺的浓度测试。

【小结】

研究人员研发了灵活的和环境友好的球磨工艺制备黑色铝-钛-氧纳米混合体，该混合体对太阳光吸收性能达到了90.23%。受益于黑色二氧化钛的超强光吸收以及铝表面的等离子体谐振效应，铝-钛-氧混合体构建的薄膜展现了高的光热效率和有效的太阳能脱盐性。黑色的铝-钛-氧 纳米混合体表现出无毒优、原材料丰富和制备工艺灵活等诸多优势，因此使太阳能脱盐得可行性提供了方案。黑色的铝-钛-氧纳米混同时也在其他方面的应用展现了一定的潜能。例如，光热催化、光热能量发生器、大面积热收集系统等领域。

文献链接：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.

本文由材料人编辑部赵春林编译，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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