基于氮掺杂石墨烯的光热转换研究文献综述

 2022-11-29 16:52:55
  1. 研究背景

太阳能作为一种取之不尽的清洁能源成为人类能源利用的永恒追求。利用太阳光作为可再生能源的太阳能水蒸发是一种有前途的方法[1]~[4]，可以为清洁水资源短缺提供解决方案，同时对环境的影响可降至最低。然而，由于水对太阳能吸收不良和体积系统的传统大量水加热，所导致的热损失使光热转换效率低，阻碍了其实际应用。通过合理设计纳米材料作为高效太阳能吸收器和利用界面加热概念的蒸发系统，可大大提高了蒸发效率。

传统的太阳能驱动蒸汽发生系统具有较低的太阳能蒸汽转换效率，而且需要投入很高的光学和土地资金，限制了他们的普遍使用。最近，由于光热材料的发展，出现了新颖的系统设计，用于在不使用复杂的光学聚光器的情况下进行高效的太阳能驱动蒸发。集成到水源中的光热材料定位太阳光吸收和热转换，因此可以有效将热传递到周围的水介质。根据太阳能吸收材料放置在液体介质中的位置，光热系统可分为三类[5]：

第一系统将太阳能吸收材料分散在工作流体中，称为容积系统，也称为作为纳米流体。常怀钟[6]利用碳纳米管/水基纳米流体进行太阳能吸收实验，0.1wt%的碳纳米管纳米流体的光热转换效率最高，也只有29.90%。

第二个太阳能吸收器放置在大量工作流体的表面上，称为界面系统。界面系统的双层结构：顶层不接触水，吸收太阳能；底层限制产生的热量传导到水中而损失，且提供支撑作用。顶层是太阳能吸收材料，底层具有互连通道结构，可供应水到顶层达到蒸发热点。Li[7]等人设计了界面系统，探究水和吸收薄膜的温度变化，记录了在1kw/m2的太阳光照射下的蒸发率为1.45kgm-2h-1，并与不加绝热低层的系统进行比较，其蒸发效率asymp;90%。Gao[8]等人制备了一种基于GDY的自由自由浮动泡沫，表现出了出色的太阳能光谱吸收以及高效的蒸汽流动，在1kw/m2下的光热效率达到92%。

第三个系统将太阳能吸收器与大量流体分离，称为隔离系统。

合理的系统设计可以实现高太阳能吸收率，低热辐射率和光反射率，减少热损失从而提高光热转换效率[9]。

为了达到高效的光热蒸发效率，好的光吸收材料也很重要，目前光热材料分三类：金属、半导体和碳基材料。金属材料是太阳能接收器的理想选择，Au、Ag和Pd在光热方面已有广泛的应用，除了贵金属外，Cu和Al也有良好的光热效应。Zhou[10]等人用通过将铝纳米颗粒组装成三维多孔膜来增强了太阳能海水淡化，实现了约90%的效率。金属氧化物和含硫化物的半导体光热纳米材料，如钛基半导体TiO2、TiOx、Ti2O3，由于它们易于合成，成本低，不易受光漂白和光降解，且表现出高光热蒸发效应，使其在光热应用具有前景。

与金属材料和半导体相比，碳基材料更便宜，更丰富，并且在全光谱和高光热转换效率下具有优异的光吸收性[11]。如碳纳米管和石墨烯，作为光热材料脱颖而出，主要是因为它们的低反射损失和高太阳光谱吸收率[12]，且氧化石墨烯具有亲水基团，如羟基（-OH）和羧基（-COOH），大大提高了太阳能蒸汽效率。可将其应用于太阳能蒸汽发生，完成水净化和海水淡化[13]~[16]。从1D到3D的多种碳基结构已经被设计和制造用于光热应用。如Xue[17]等人用天然木材在火焰处理后作为太阳能吸收剂，其具有超高的太阳能吸光度（asymp;99%），低导热率（0.33Wm-1K-1）和良好的亲水性，太阳能热效率达到72%。大面积2D石墨烯材料已被广泛用作水蒸发，净化和脱盐中的光吸收剂。Ghasemi[14]等人用膨胀石墨粉进行太阳能加热，太阳能蒸汽混合效率高达85%。石墨烯材料的不同结构，包括多孔N掺杂石墨烯薄膜、GO薄膜、长程垂直排列的石墨烯薄膜、石墨烯和还原氧化石墨烯（rGO）复合气凝胶、层状石墨烯泡沫和剥离石墨泡沫，由于其有利的结构特征而表现出优异的水蒸发效率。如，Zhang[18]等人利用长程垂直排列的石墨烯薄膜（VG-GSM）在1个和4个太阳照射强度下，其 平均水蒸发率达到1.62kgm-2h-1和6.25kgm-2h-1。Ren[19]等人采用层状石墨烯泡沫（h-G泡沫），太阳能热转换效率达到了asymp;93.4%，太阳能蒸汽转换效率超过了90%，且具有高耐久性。

化学掺杂是改善石墨烯性质的重要方法，Gong[20]等人通过氮掺杂垂直排列的碳纳米管（VA-NCNTs）具有更好的电催化作用活性和稳定性，证明了这一点，并大大拓宽了他们的应用。通常有两种化学掺杂石墨烯的方法：石墨烯表面吸附气体、金属、或有机分子；取代掺杂，其中引入杂原子[21]，如氮原子和硼原子，进入石墨烯的碳晶格。氮原子由于具有与碳原子近似的原子半径, 可以作为电子供体以取代的方式对石墨烯进行掺杂, 且生成的氮掺杂石墨烯表现出较纯石墨烯更多优异的性能[22][23]。Ito[24]等人比较了G800、G900、N800、N900的孔径、反射率、透明度、润湿性、导热率等，证明了氮掺杂石墨烯较石墨烯具有有效光吸收，低的特定热量，低热导率和高润湿性，说明氮掺杂石墨烯更有利于太阳能水蒸发。

  1. 研究方法

本课题研究探索一种高效的太阳能光热转换的方式——设计制备具有高效稳定光热转换性能的碳基材料，充分吸收太阳能产生的热效应将水迅速地变成水蒸气。

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