柔性光热转换材料的研究进展

简宏伟，俞丹

（东华大学化学化工与生物工程学院，上海 201620）

水是生命之源，也是人类生存和发展的必备因素。地球上的水资源看似总量很大，但仅有3%是能够供人类生产和生活的淡水资源，且多数地区的淡水存在开采困难和污染严重的问题[1]。随着人口的增长，水资源短缺的问题将日益突出，预计到2025年，全球将有50%左右的人口面临水资源匮乏的问题[2]。目前，能有效缓解水资源短缺问题的方法之一是海水淡化技术，但传统的海水淡化技术往往需要消耗较多的化石能源，这又将增加开采与运输成本以及环境污染的压力[3]。在这种情况下，太阳能作为一种可再生的清洁能源，由其驱动的水蒸发技术既降低了环境污染的风险，还解决了能量来源的问题，是一种能有效缓解水资源短缺问题的方法。在太阳能驱动的水蒸发技术中，由于水对太阳能的吸收率较低，水分的蒸发仅发生在水体表面，导致太阳光对水体直接辐照时其光热转换效率很低[4]。为了达到更高效的水蒸气产生效率，就需要光热转换材料吸收太阳能并将热量聚集在空气-水的界面上以进行界面蒸发。目前的光热转换材料根据组成主要可分为四类：金属纳米材料、无机半导体材料、碳基吸光材料和有机高分子材料。光热转换材料中研究较多的是多孔碳、金属纳米粒子及金属氧化物[6]。这些材料往往具有很高的光吸收能力以及光热转换能力，经过一定的结构设计形成太阳能水蒸发器，能够大大的提高海水的淡化效率，为一些缺乏淡水的地区提供清洁的饮用水。在实际使用中考虑到材料的可重复利用性以及可循环性，往往对其机械稳定性和柔韧性有一定的要求，因此，一些柔性光热材料被越来越多的开发出来。

1 光热转换材料概述

在众多的太阳能利用方式中，光热转换是最直接、最有效的[5]，因此，光热转换材料作为实现光热转换的载体，其性能对提高太阳能的利用效率尤为重要。光热材料能够对较宽波段范围内的太阳光谱产生吸收，并在这些波段内具有较强的吸收和转换的能力。如一些以金、银、钯等金属为基材的纳米颗粒对太阳光有着很强的吸收和转换能力，但由于单个颗粒仅能吸收部分波段范围的太阳光谱，它们往往需要负载在纤维素纤维、纳米氧化铝模板等材料上以增大对光谱的吸收范围。另有一些半导体材料如铜硫化物、钛基半导体以及无毒的磁性粒子由于具有合成简便、成本较低、耐光降解且对光吸收光谱可调等特点近年来在光热领域也展现出了很好的前景。相比于金属材料和半导体材料，碳基和聚合物基高分子材料则具有更为宽泛的光谱吸收范围和较高的吸收及转换能力，部分碳基材料还有较低成本、可大量获得等特点，如碳纳米管、石墨烯、炭黑和聚吡咯、聚多巴胺、聚苯胺等都是很好的光热材料。

2 柔性光热材料概述

目前，柔性光热材料作为一种低杨氏模量、高度可变形的材料[7]，具备柔韧性好、稳定性强等特点，具体包括有柔性光热膜、柔性气凝胶、柔性纳米颗粒以及柔性复合材料等，在诸多领域如生物医学、环境监测、光响应机器人等均有着较大的应用潜力。

此外，较传统的光热材料，柔性光热膜结构更为简单、便于使用且效率较高，还兼具柔韧性强、超疏水、高导热等性能。柔性复合材料则在将具有光热转换能力的材料与高分子聚合物、纤维素纤维如纸基材料等结合后大大改善了原有光热材料的柔韧性和机械稳定性，同时也保持了较好的光热转换效率。柔性气凝胶是在传统气凝胶制备工艺的基础上发展起来，兼具了柔韧、稳定的特点并能够保持良好的光热转换效果。

3 柔性光热转换材料的研究进展

3.1 柔性光热膜

与传统的光热材料相比，光热薄膜结构简单、使用方便、成本低、效率高，通过调整膜的组成和内部结构还可以获得柔韧、可伸缩、超疏水、高导热和耐酸碱等性能，且往往具有更好的耐久性和机械强度，在可穿戴电子器件、太阳能蒸汽发生器、海水淡化等光热储能方面有着广阔的应用前景[8]。Bi等[8]以Ti2O3和聚乙烯醇（polyvinylalcohol，PVA）为基料，采用溶液浇铸法制备了一种柔性光热纳米复合薄膜，经表面活性剂对Ti2O3表面改性后在宽光谱范围内表现出较强的光吸收能力和光热效应。

Ma等[9]利用Pt3Ni-S纳米线具有较高光热转换效率和优异的耐酸碱性能的特点，通过水热法合成Pt3Ni-S纳米线，并将纳米线倒在聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）膜上，经改性后获得了柔性Pt3Ni-S疏水膜。经测试，在一个太阳光（1 KW/m2）照下，强酸溶液的相对蒸发速率为0.93 kg/（m2·h），在强碱溶液中的相对蒸发速率为1.04 kg/（m2·h），且在pH值为1.2～12.0时，经10次循环后Pt3Ni-S膜的相对蒸发速率没有明显下降，表现出了优异的耐用性。

Shao等[10]将聚离子液体浇铸在玻璃板上干燥后浸入氨水溶液形成多孔膜，再经真空碳化后制得多层多孔炭膜。在碳化前，通过改变聚离子液体中的阴离子，可以控制聚合物膜的孔径和孔结构，使制成的轻质疏水多孔炭膜在海水淡化方面表现出较高的性能，其在1KW/m2的太阳光照下水蒸发速率可达到1.01 kg/（m2·h）。

Zada等[11]受甲壳虫的随机紧密堆积结构启发，制备了具有随机尺寸分布的黑色TiO2薄膜，薄膜在太阳光谱中具有较宽的吸收，在1 KW/m2的太阳光照下，温度可在120 s内迅速从25.4 ℃升至90.0 ℃，太阳光蒸汽产生效率可达到77.14%，具有良好的光热效应。另外，黑色TiO2薄膜具有良好的柔韧性和机械鲁棒性，在一些高度要求机械坚固性和灵活性的太阳能热能应用方面有着很好的潜力。

理想的光热转换膜是较难实现的，往往需要具有宽光谱吸收、超薄多孔、导热系数低等特性，而且容易结垢的薄膜会降低水的蒸发效率。Yang等[12]还设计了一种双层Janus膜，将金纳米棒组装到单壁碳纳米管多孔膜上，获得了高的太阳光谱吸收率且增强了光热性能，其在5 KW/m2的太阳光照射下的水蒸发效率达到了94%。

3.2 柔性复合材料

除了柔性光热膜，许多情况下，其他材料如纤维素纤维、高分子聚合物等，在复合后整体也具有优良柔韧性的特点。Huang等[13]采用真空过滤技术制备了一种由顶部多壁碳纳米管和底部聚苯硫醚/纤维素纤维组成的柔性高效双层光热纸。其不仅具有良好的光热转换能力、优异的水传输能力，在1 KW/m2的太阳光照下，水蒸发率可达到1.34 kg/（m2·h），光热效率接近95%，在经过多次循环后，仍能保持较高的太阳能蒸发效率，有良好的重复利用性。

Zou等[14]以聚苯胺和亲水性聚氟乙烯为原料制成高效耐用的柔性聚苯胺复合材料用于海水淡化装置，在1 KW/m2的太阳光照射下，可以获得1.41 kg/（m2·h）的优良蒸发率和85.0%的高蒸汽发生效率。该复合材料具有卓越的持久耐用性，在40次循环后仍能保持较好的蒸发性能。

Xiong等[15]以羟基磷灰石纳米线（hydroxyapatite nanowires，HN）基无机纸和碳纳米管（Carbon nano tube，CNT）为绝热载体和光吸收体，通过真空辅助过滤和沉积的方法制备了HN/CNT光热纸，其具有较高的太阳光吸收率、光热转换效率、热稳定性以及较低的热导率和多孔网络结构等特点。用该光热纸和聚苯乙烯泡沫塑料组成的太阳能驱动水蒸发装置有很好的水净化能力，在1 KW/m2和10 KW/m2下能分别获得83.2%和92.8%的水蒸发效率。

Kim等[16]经过乳化、冷冻干燥和激光处理等方法制备了一种由石墨碳和聚酰亚胺薄膜组成的自浮式耐盐柔性太阳能蒸汽发生器，其能量转换效率约为84%，盐去除率高达99.9%，具有优异的太阳能海水淡化性能。

Yang等[17]制备了一种能够利用光热效应进行驱动的柔性、超疏水的热稳定光热纸，在将光热纸设计成合适的形状后可实现直线、曲线或旋转的光驱动运动。该研究预计由光热纸组成的器件在光响应微机器人、生物传感器和环境监测等领域有着广阔的应用前景。

Wang等[6]通过将多层聚吡咯纳米片在纸基片上进行顺序聚合，形成了形如褶皱和脊的表面结构，显著增强了对太阳光的吸收效率，从而使光热转换效率达到了95.33%；多层的结构使其具有良好的机械柔性和鲁棒性，在用于太阳能蒸汽发电时，一次太阳光照射下测得的效率可达到92%左右，在对太阳能的实际应用中具有较大的潜力。

3.3 柔性气凝胶

柔性气凝胶，即具备优良柔韧性的气凝胶，多数是在传统气凝胶制备方法的基础上通过对原料及工艺的调整逐渐发展起来的[18]。对于普通和柔性气凝胶的界定，一般认为，柔性气凝胶受到外力作用时会发生形变，在外力撤除后又能回复到原有形状，且微观结构无显著变化，而普通气凝胶则不具备此性能。

Zhang等[19]用CuS纳米颗粒与细菌纤维素（Bacterial cellulose，BC）基体原位结合的思想制备了杂化凝胶膜作为光热转换层，并组成了柔性自漂浮的双层太阳能蒸汽发生器，在1 KW/m2的太阳光下其蒸发率达1.79 kg/（m2·h），效率可达98.5%，循环40次后仍能保持稳定的蒸发速率和优良的耐盐性。

Wu等[20]以脱脂棉、琼脂糖和CuS为原料制备了一种低成本的、柔性光热棉CuS纳米笼琼脂糖气凝胶。琼脂糖是支撑光热CuS纳米笼的主要基质和结合材料，棉花则显著提高了气凝胶的机械强度，所以制得的气凝胶具有良好的柔韧性和稳定性。该光热气凝胶也具有优良的太阳能蒸汽产生性能，在一个太阳光照下的水蒸发率为1.63 kg/（m2·h），能量转换效率可达94.9%，在至少15个循环后仍能保持性能稳定。

Zhang等[21]利用木材的多孔性、润湿性和导热性制备了一种柔性、防霉气凝胶作为基材，再与金纳米颗粒和还原氧化石墨烯（Reduced graphene oxide，rGO）组成的Au-rGO光热层结合组成了高效太阳能海水淡化蒸发器。该气凝胶由于具有超亲水、超低的热导系数、超轻的重量以及良好的柔韧性等特点保持了蒸发器很好的稳定性并提高了蒸发效率。蒸发器也获得了90.1%的太阳蒸发效率和长期稳定的水蒸发性能。

Storer等[22]以还原氧化石墨烯纳米片、稻草纤维素纤维和海藻酸钠制备了具有良好柔韧性和稳定性的石墨烯光热气凝胶。在1 KW/m2的太阳光照下水蒸发率可达2.25 kg/（m2·h），能量转换效率为88.9%，对实际海水进行光热蒸发后可降低海水盐度，较易达到世卫组织（World health organization，WHO）和美国环境保护署（United states environmental protection agency，USEPA）制定的清洁饮用水标准。

4 结语

柔性光热材料不仅在海水淡化、污水净化方面有较大的应用潜力，对于太阳能蒸汽发电、海水脱盐、杀菌，以及一些对柔韧性要求较高的应用领域如生物医学、环境监测、微型机器人等领域有着更广阔的前景。未来对于柔性光热器件的研究和应用也将逐渐成为一个趋势。