網(wǎng)狀骨架CVD生長(zhǎng)碳納米管用于重鹽水脫鹽

熊輝 ，謝歆雯 ，王苗 ,＊，侯雅琦 ，侯旭 ,2,3,4,＊

1廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門 361005

2廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361005

3能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 廈門 361005

4固體表面物理化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005

1 引言

淡水資源對(duì)滋養(yǎng)生命、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步至關(guān)重要。水資源短缺已成為人類社會(huì)所面臨的最嚴(yán)重的全球性挑戰(zhàn)之一1。利用海水淡化技術(shù)緩解水資源短缺在許多沿海國(guó)家已有多年的發(fā)展歷史，目前已發(fā)展成熟并得到大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的海水淡化技術(shù)包括反滲透法(RO)、電滲析法(ED)、多級(jí)閃蒸(MSF)、低溫多效(MED)等2，在這些技術(shù)的實(shí)施過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)的能耗問(wèn)題不容忽視，更嚴(yán)重的是，這些技術(shù)可能會(huì)破壞環(huán)境，無(wú)法為淡水資源的獲得提供可持續(xù)的解決方案3。因此，研究者們?cè)陂_(kāi)發(fā)綠色可持續(xù)的淡水資源生產(chǎn)技術(shù)方面付出了大量的努力4–10。其中，太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)由于成本低、能耗低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是一種很有發(fā)展前景的海水淡化技術(shù)11。然而光熱轉(zhuǎn)換效率及能量利用效率較低12、光熱轉(zhuǎn)換材料易污染等缺點(diǎn)限制了太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用13。

隨著人們對(duì)可持續(xù)海水淡化技術(shù)的關(guān)注及納米材料的高速發(fā)展，太陽(yáng)能海水淡化領(lǐng)域通過(guò)光子管理14,15、納米尺度熱調(diào)控16–18、開(kāi)發(fā)新型光熱轉(zhuǎn)換材料18–20、設(shè)計(jì)高效光吸收太陽(yáng)能蒸發(fā)裝置21–23等方法實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸汽生成13，這種綠色、可持續(xù)的海水淡化技術(shù)已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

碳基材料，如石墨烯24–27、炭黑7、碳纖維8,28,29碳納米管30–32等，是一類新型的光熱轉(zhuǎn)換材料，具有涵蓋整個(gè)太陽(yáng)光光譜的光吸收能力。其中，碳納米管是一種超黑材料，它對(duì)太陽(yáng)光光譜范圍內(nèi)所有波長(zhǎng)的光都具有很好的吸收能力。一項(xiàng)最新的研究表明，豎直排列的碳納米管陣列能夠吸收99.97%的太陽(yáng)光直射的能量33,34。碳納米管獨(dú)特的一維管狀結(jié)構(gòu)還使其具有良好的脫鹽性能2，這些優(yōu)異的特性使碳納米管成為一種新型的海水淡化材料30–32。與擴(kuò)大碳基材料的光譜吸收范圍相比，提高碳基材料的機(jī)械強(qiáng)度，減少碳基材料表界面上的光反射是提高這類材料光吸收能力的關(guān)鍵。在碳基材料中構(gòu)筑多孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的多次反射和散射將光限制于材料內(nèi)部，從而增強(qiáng)光與材料之間的相互作用，提高材料的光熱轉(zhuǎn)換效率35。碳基材料的多孔結(jié)構(gòu)可以通過(guò)過(guò)濾、噴涂涂層、旋轉(zhuǎn)涂層36–38等方法構(gòu)筑，有文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)一種以碳納米管為基礎(chǔ)，通過(guò)過(guò)濾法制備得到的雙層材料，該材料包括厚度可調(diào)的多孔碳納米管頂層和二氧化硅基底，具有較高的太陽(yáng)能蒸發(fā)速率和能量轉(zhuǎn)換效率32。

本文通過(guò)構(gòu)筑基于碳納米管的多孔微結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)狀骨架上生長(zhǎng)碳納米管制備網(wǎng)狀碳納米管膜，來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能蒸發(fā)重鹽水(100 g.L?1NaCl)脫鹽，如圖1a所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)碳納米管可以在金屬基網(wǎng)絡(luò)上生長(zhǎng)，如鎳網(wǎng)、不銹鋼網(wǎng)等39，它們均是較好的碳納米管化學(xué)氣相沉積基底材料40。本文使用不銹鋼網(wǎng)作為重鹽水脫鹽膜的網(wǎng)狀骨架，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法(CVD)在網(wǎng)狀骨架上生長(zhǎng)碳納米管，碳納米管在不銹鋼網(wǎng)上呈刷毛狀生長(zhǎng)，形成微米級(jí)過(guò)濾器結(jié)構(gòu)。生長(zhǎng)出來(lái)的碳納米管一方面能夠有效地吸收太陽(yáng)光，另一方面碳納米管可以作為光熱轉(zhuǎn)換活性中心持續(xù)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能。100 g.L?1NaCl溶液在這種長(zhǎng)有碳納米管的微米網(wǎng)絡(luò)骨架膜的平均接觸角為133.4°，該膜呈疏水性。為防止光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程中微米網(wǎng)狀-碳納米管膜產(chǎn)生的熱量耗散至環(huán)境中，本文設(shè)計(jì)了一種房屋形太陽(yáng)能蒸發(fā)器，如圖1b所示，房屋中間設(shè)置回形的鹽水儲(chǔ)槽，將微米網(wǎng)狀-碳納米管膜漂浮在重鹽水表面，在太陽(yáng)能的照射下，網(wǎng)狀碳納米管膜吸收太陽(yáng)光并將光能轉(zhuǎn)換成熱能，微米網(wǎng)狀-碳納米管膜產(chǎn)生的熱量可以直接傳導(dǎo)到鹽水中并促使水分從微米孔網(wǎng)絡(luò)中蒸發(fā)，蒸發(fā)的水蒸氣在設(shè)備頂部冷凝，如圖1c所示。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 化學(xué)藥品和材料

實(shí)驗(yàn)中使用的化學(xué)試劑，如無(wú)水乙醇、甲苯、二茂鐵、氯化鈉、三氯甲烷均購(gòu)買于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，純度為分析純；亞克力板主要成分為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，購(gòu)買于深圳市圣吉利有限公司；聚丙烯(PP)購(gòu)買于德州聚興橡塑制品有限公司；氬氣(高純)購(gòu)買于林德氣體；改性丙烯酸酯粘合劑(502AB)購(gòu)買于非凡力有限公司；304不銹鋼網(wǎng)購(gòu)買于佳寶麗有限公司。

2.2 化學(xué)氣相沉積法制備微米網(wǎng)狀-碳納米管膜

圖1 微米網(wǎng)狀-碳納米管膜制備過(guò)程及蒸發(fā)原理與太陽(yáng)能蒸發(fā)器示意圖。(a)化學(xué)氣相沉積法制備微米網(wǎng)狀-碳納米管膜用于太陽(yáng)能蒸發(fā)的機(jī)理示意圖；(b)太陽(yáng)能蒸發(fā)器光學(xué)照片；(c)太陽(yáng)能蒸發(fā)器在光照30 min后的光學(xué)照片F(xiàn)ig. 1 Preparation of reticulated solar absorb materials and schematic of evaporation device. (a) Schematic showing the preparation and evaporation process of CVD grown CNTs on reticulated skeleton. (b) Optical image of solar evaporation device. (c) Optical image of solar evaporation device after being illuminated for 30 min under the sun.

采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備微米網(wǎng)狀-碳納米管膜。首先將80目不銹鋼網(wǎng)裁剪為6 cm × 4 cm的長(zhǎng)方形，然后將不銹鋼網(wǎng)浸泡在無(wú)水乙醇中超聲清洗30 min，去除有機(jī)雜質(zhì)。取出不銹鋼網(wǎng)將其置于烘箱中干燥，干燥后的不銹鋼網(wǎng)用高純氮吹掃。將高純氮吹掃凈化后的不銹鋼網(wǎng)置于石英板上，將石英板送入管式爐。在化學(xué)氣相沉積過(guò)程中，我們使用甲苯為碳源，二茂鐵為催化劑，將二者混合配成二茂鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的混合溶液，并用注射器吸取19.50 mL該混合溶液，注射器推進(jìn)時(shí)，位于管式爐和注射器之間的加熱帶加熱混合溶液并使其氣化，氬氣攜帶著甲苯-二茂鐵混合溶液的蒸氣以6.5 mL.h?1的速度進(jìn)入到管式爐中。在740 °C下生長(zhǎng)3 h，完成此步驟后，關(guān)閉碳源并同時(shí)將管式爐冷卻至室溫，從爐內(nèi)取出生長(zhǎng)結(jié)束的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜。為了提高此微米網(wǎng)狀-碳納米管膜的碳納米管含量，我們將其再次放入管式爐中，以相同的實(shí)驗(yàn)條件再次生長(zhǎng)3 h，最終獲得碳納米管含量更高的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜。

2.3 機(jī)械填充法法制備微米網(wǎng)狀-碳納米管膜

化學(xué)氣相沉積法不僅會(huì)在不銹鋼網(wǎng)上生長(zhǎng)碳納米管，也會(huì)在石英板上生長(zhǎng)碳納米管。用刮刀從石英板上刮取碳納米管，得到碳納米管粉末，并通過(guò)壓力將不同質(zhì)量的碳納米管粉末填充到不銹鋼網(wǎng)上制備得到不同填充百分比的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜，與氣相沉積法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜作對(duì)比試驗(yàn)。

2.4 太陽(yáng)能蒸發(fā)器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)房屋形狀的太陽(yáng)能蒸發(fā)器，選擇高透光率的亞克力板(PMMA)作為器件材料，通過(guò)激光切割技術(shù)將亞克力板切割成裝置所需的形狀，并用改性的丙烯酸酯粘合劑(502AB)密封板材。該器件如圖1b所示，包括重鹽水儲(chǔ)槽、純水收集槽、器件頂蓋、微米網(wǎng)狀-碳納米管膜漂浮位。純水收集槽位于重鹽水儲(chǔ)槽兩側(cè)，微米網(wǎng)狀-碳納米管膜漂浮于重鹽水表面，蒸汽冷凝壁面位于鹽水儲(chǔ)槽正上方，蒸汽冷凝壁面具有45°的坡度，蒸發(fā)的水蒸氣冷凝后可以順著該坡度滑下并匯聚于純水收集槽中。微米網(wǎng)狀-碳納米管膜受到太陽(yáng)光照射后直接加熱重鹽水產(chǎn)生水蒸氣，水蒸氣通過(guò)微米網(wǎng)狀-碳納米管膜，到達(dá)蒸汽冷凝壁面后冷凝，冷凝水由于重力作用沿冷凝壁的坡面滑動(dòng)，最終在純水收集槽中匯合。

2.5 性能表征

掃描電子顯微鏡型號(hào)為Hitachi S-4800，工作電壓為5 kV。接觸角表征儀器型號(hào)為OCA 100接觸角測(cè)量?jī)x。溫度和紅外熱成像圖由FLIR A300紅外熱像儀拍攝。離子(Cl?)濃度由IC 7685離子濃度測(cè)試儀測(cè)定。太陽(yáng)光模擬器型號(hào)為中教金源CELPF300-T8氙燈，光功率密度的可調(diào)范圍為1–4 kW.m?2，光功率計(jì)型號(hào)為中教金源CEL-NP2000，用于檢測(cè)太陽(yáng)光模擬器提供的模擬太陽(yáng)光的功率密度。

2.6 太陽(yáng)能蒸發(fā)性能計(jì)算公式

在太陽(yáng)能產(chǎn)生蒸汽的過(guò)程中，太陽(yáng)能首先被光熱轉(zhuǎn)換材料吸收并轉(zhuǎn)換為熱能。通常，光熱轉(zhuǎn)換材料的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，因此我們通過(guò)測(cè)試膜的表面溫度來(lái)表征光熱轉(zhuǎn)換材料的光熱轉(zhuǎn)換性能。將微米網(wǎng)狀-碳納米管膜放置在厚度為2 cm的聚丙烯(PP)泡沫上，將太陽(yáng)光模擬器置于其正上方，測(cè)量過(guò)程中保持太陽(yáng)光模擬器與微米網(wǎng)狀-碳納米管膜相隔14 cm，并使用紅外熱像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微米網(wǎng)狀-碳納米管膜表面的溫度(T)變化及分布。

將準(zhǔn)備好的面積(S)為24 cm2(6 cm × 4 cm)的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜放置在漂浮位，向重鹽水儲(chǔ)槽中通入重鹽水，將太陽(yáng)光模擬器置于器件正上方，使模擬太陽(yáng)光垂直穿透器件頂蓋并照射到微米網(wǎng)狀-碳納米管膜上，器件頂部距太陽(yáng)光模擬器10 cm，微米網(wǎng)狀-碳納米管膜距太陽(yáng)光模擬器14 cm。蒸發(fā)30 min (t)后，用注射器抽出純水槽中純水并稱量其質(zhì)量，水的蒸發(fā)速率通過(guò)公式(1)32計(jì)算：

其中，v是水的蒸發(fā)速率(kg.m?2.h?1)，m是收集到的純水的質(zhì)量(kg)，S是光熱材料的表面積(m2)，t是時(shí)間(h)。

能量轉(zhuǎn)換效率定義為在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)水蒸氣產(chǎn)生過(guò)程中，蒸發(fā)的那一部分水的潛熱和顯熱與輸入體系的太陽(yáng)光的總能量之比。能量轉(zhuǎn)換效率可以用公式(5)表示41：

其中，Pin代表輸入體系的太陽(yáng)能總量，Copt是光功率密度(kW?m?2)，S是網(wǎng)狀碳納米管膜的表面積(m2)，Lv是水蒸發(fā)潛熱(J)，hv是氯化鈉溶液的蒸發(fā)焓，即2257.2 J.kg?1(選用100 °C下100 g.L?1NaCl溶液的蒸發(fā)焓)，m代表太陽(yáng)輻射下收集到的純水的質(zhì)量(g)，Qsensibleheat是水蒸發(fā)的顯熱(J)，C是水的比熱容(J.kg?1.°C?1)，ΔT代表 溫度變化(°C)，η是能量轉(zhuǎn)換效率(%)。

脫鹽率通過(guò)公式(6)計(jì)算：

其中，R代表脫鹽率(%)，C1代表太陽(yáng)能蒸發(fā)之前Cl?的濃度(g.L?1)，C2代表太陽(yáng)能蒸發(fā)之后Cl?的濃度(g.L?1)。

3 結(jié)果與討論

如圖2a所示，本文使用80目不銹鋼網(wǎng)作為網(wǎng)狀骨架，CVD法在不銹鋼網(wǎng)上生長(zhǎng)了碳納米管，碳納米管結(jié)合不銹鋼網(wǎng)骨架的形貌可以比喻為一個(gè)納米刷，并且形成了一個(gè)微米濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有良好的疏水性能，可以隔離鹽水，僅能允許水蒸氣通過(guò)，為太陽(yáng)能蒸發(fā)重鹽水脫鹽過(guò)程提供結(jié)構(gòu)支持。

圖2所示的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜，具有疏水性，100 g.L?1NaCl溶液在該膜上的接觸角為133.4°。我們用機(jī)械填充微米網(wǎng)狀-碳納米管膜作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，該機(jī)械填充網(wǎng)狀碳納米管膜分別機(jī)械填充了0.5 g，0.25 g的碳納米管粉末。0.5 g碳納米管粉末填充不銹鋼網(wǎng)制備得到的機(jī)械填充微米網(wǎng)狀-碳納米管膜1如圖2b左所示，100 g.L?1NaCl溶液在該膜上的接觸角為145.8°；0.25 g碳納米管粉末填充不銹鋼網(wǎng)制備得到的機(jī)械填充微米網(wǎng)狀-碳納米管膜2如圖2b右所示，100 g.L?1NaCl溶液在該膜上的接觸角為135.0°，機(jī)械填充微米網(wǎng)狀-碳納米管膜1和膜2均具有較好的疏水性。

圖3a，b的電子顯微鏡照片顯示化學(xué)氣相沉積法制備微米網(wǎng)狀-碳納米管膜依舊保留著不銹鋼網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)孔徑大概為15 μm。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)多孔材料的孔徑在10–50 μm范圍內(nèi)時(shí)，該材料會(huì)具有較好的蒸汽輸運(yùn)能力及較高的蒸發(fā)速率27。圖3b顯示，碳納米管生長(zhǎng)在不銹鋼網(wǎng)絲的各個(gè)方向上，可以將這種結(jié)構(gòu)比喻為一個(gè)納米刷，由于不銹鋼網(wǎng)規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，多個(gè)納米刷整齊排列形成了一個(gè)微米過(guò)濾器。更重要的是，如圖3b所示，網(wǎng)狀骨架表面都有一些豎直排列的碳納米管，這種直立的碳納米管的表面結(jié)構(gòu)可以大大降低光的反射，從而提高材料對(duì)太陽(yáng)能的吸收33,34。圖3c顯示，碳納米管的長(zhǎng)度通常大于5 μm。參考圖3d，生長(zhǎng)在不銹鋼網(wǎng)上的碳納米管的外徑大約為50 nm，這一數(shù)值遠(yuǎn)小于不銹鋼網(wǎng)的孔隙，顯示出該材料中的碳納米管具有較大的長(zhǎng)徑比。

圖2 微米網(wǎng)狀-碳納米管膜制備示意圖。(a)化學(xué)氣相沉積法制備微米網(wǎng)狀-碳納米管膜的過(guò)程示意圖，100 g·L?1 NaCl溶液在化學(xué)氣相沉積法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜上的接觸角為133.4°；(b)機(jī)械填充法制備微米網(wǎng)狀-碳納米管膜的過(guò)程示意，使用0.5 g碳納米管填充不銹鋼網(wǎng)得到機(jī)械填充法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜1，100 g·L?1 NaCl溶液在機(jī)械填充法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜1上的接觸角為145.8°。使用0.25 g碳納米管填充不銹鋼網(wǎng)得到機(jī)械填充法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜2，100 g·L?1 NaCl溶液在機(jī)械填充法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜2上的接觸角為135.0°Fig. 2 Synthesis schematic and optical image of the reticulated membrane. (a) Synthesis schematic and optical image of the CVD grown CNTs reticulated membrane (CGRM), which has a contact angle of 133.4° with 100 g·L?1 NaCl. (b) Synthesis schematic and optical image of the mechanically-filled CNTs reticulated membrane (MFRM), MFRM1 is filled with 0.5 g CNTs which has a contact angle of 145.8° with 100 g·L?1 NaCl, MFRM2 is filled with 0.25 g CNTs which has a contact angle of 135.0° with 100 g·L?1 NaCl.

圖3 化學(xué)氣相沉積法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜在(a)低倍和(b–d)高倍條件下的顯微鏡圖像Fig. 3 (a) Low and (b–d) high-magnification SEM images of the CGRM morphology.

圖4 太陽(yáng)光模擬器下的膜的光熱轉(zhuǎn)換性能測(cè)試。(a)太陽(yáng)光光照條件下微米網(wǎng)狀-碳納米管膜表面溫度變化紅外熱成像實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；(b)太陽(yáng)光功率密度分別為1，2，3，4 kW·m?2時(shí)微米網(wǎng)狀-碳納米管膜表面溫度變化趨勢(shì)圖；(c)太陽(yáng)光功率密度為4 kW·m?2時(shí)微米網(wǎng)狀-碳納米管膜表面的溫度(°C)分布紅外熱成像圖Fig. 4 The photo-thermal conversion performance measurement of the reticulated membrane. (a) Schematic illustration of the equipment for detecting the surface temperature of the membrane. The temperature is detected by an IR camera.Simulated solar light shines onto the membrane vertically from the top with a distance of 14.0 cm. (b) Surface temperature diagram of CGRM, MFRM1, MFRM2 under the solar intensity of 1, 2, 3, 4 kW·m?2, respectively. (c) IR images of surface temperature (°C) distribution of the CGRM, MFRM1, MFRM2 under a solar intensity of 4 kW·m?2.

如圖4a所示，我們把三個(gè)不同的膜樣品：化學(xué)氣相沉積法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜、機(jī)械填充法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜1、機(jī)械填充法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜2置于太陽(yáng)光模擬器下，太陽(yáng)光模擬器與微米網(wǎng)狀-碳納米管膜表面的垂直距離為14.0 cm，使用紅外熱像儀與電腦記錄溫度數(shù)據(jù)和紅外熱成像圖片，比較不同光功率密度下膜的表面溫度。測(cè)量過(guò)程中，所有的膜都被固定在聚丙烯(PP)泡沫上，以減少樣品與金屬載物臺(tái)表面的熱交換。當(dāng)太陽(yáng)光功率密度為1 kW.m?2時(shí)，三種不同膜的表面溫度均快速上升并穩(wěn)定于85 °C左右。如圖4b所示，隨著太陽(yáng)光功率密度從1 kW.m?2增加到4 kW.m?2，三個(gè)膜的表面溫度也隨之升高。三個(gè)膜的平衡表面溫度在太陽(yáng)光功率密度為4 kW.m–2時(shí)均能達(dá)到150.2 °C，如圖4c，這一結(jié)果證明微米網(wǎng)狀-碳納米管膜具有較強(qiáng)的光熱轉(zhuǎn)換能力。

圖5 太陽(yáng)光蒸發(fā)器蒸發(fā)性能及脫鹽效果。(a)化學(xué)氣相沉積法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜與機(jī)械填充法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜1、2的蒸發(fā)速率及能量利用效率對(duì)比圖；(b)化學(xué)氣相沉積法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜脫鹽率測(cè)試結(jié)果Fig. 5 Evaporation and desalination performance of reticulated membrane. (a) Diagram of evaporation rate (blue) and efficiency (red) of the CGRM, MFRM1, MFRM2 with solar intensity of 1 kW·m?2.(b) Salt rejection rate of CGRM after solar for 100 g·L?1 NaCl solution.

利用本文設(shè)計(jì)的房屋形太陽(yáng)能蒸發(fā)器對(duì)化學(xué)氣相沉積法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜、機(jī)械填充法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜1、機(jī)械填充法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜2的蒸發(fā)性能進(jìn)行測(cè)試。房屋形太陽(yáng)能蒸發(fā)器如圖1b所示，微米網(wǎng)狀-碳納米管膜漂浮在重鹽水表面，利用器件上的螺絲釘提供的壓力對(duì)器件進(jìn)行密封。在太陽(yáng)光功率密度為1 kW.m?2的條件下蒸發(fā)30 min后，稱量所得純水的質(zhì)量。依據(jù)公式(1)計(jì)算了太陽(yáng)光功率密度為1 kW.m?2時(shí)的水蒸發(fā)速率，結(jié)果如圖5a所示，化學(xué)氣相沉積法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜的水蒸發(fā)速率是0.5440 kg.m?2.h?1，機(jī)械填充法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜1的水蒸發(fā)速率是0.4150 kg.m?2.h?1，械填充法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜2的水蒸發(fā)速率是0.3350 kg.m?2.h?1。當(dāng)太陽(yáng)光功率密度為1 kW.m?2時(shí)，化學(xué)氣相沉積法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜的蒸發(fā)速率最高。該結(jié)果表明，水蒸發(fā)速率的快慢和網(wǎng)狀骨架與碳納米管相互作用的強(qiáng)度和穩(wěn)定性有關(guān)，化學(xué)氣相沉積法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜中，不銹鋼網(wǎng)和碳納米管有著更加緊密的相互作用和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，不銹鋼網(wǎng)規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與在其表面生長(zhǎng)的碳納米管形成的多孔微米結(jié)構(gòu)也能夠使膜保持較高的水蒸發(fā)速率。

能量轉(zhuǎn)換效率η的定義在公式(5)中，能量轉(zhuǎn)換效率被認(rèn)為是一個(gè)評(píng)估太陽(yáng)能蒸發(fā)膜性能的重要指標(biāo)。它是指在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)水蒸氣生成的過(guò)程中，水的總焓，包括水的潛熱和顯熱，與太陽(yáng)輻射的總能量的比值。如圖5a所示，當(dāng)太陽(yáng)光功率密度為1 kW.m?2時(shí)，化學(xué)氣相沉積法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜的蒸發(fā)效率為39.09%，機(jī)械填充法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜1的蒸發(fā)效率為29.43%，機(jī)械填充法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜2的蒸發(fā)效率為26.47%。這些結(jié)果表明，當(dāng)模擬真實(shí)的太陽(yáng)光照射條件，即太陽(yáng)光功率密度為1 kW.m?2時(shí)，化學(xué)氣相沉積法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜作為一種高效的太陽(yáng)能蒸發(fā)材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的性質(zhì)。

圖5b為對(duì)化學(xué)氣相沉積法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜進(jìn)行的脫鹽率測(cè)試實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，脫鹽率R定義在公式(6)中，C1為100 g.L?1是蒸發(fā)前Cl?的濃度，C2為0.0775 g.L?1是蒸發(fā)后Cl?的濃度，根據(jù)公式(6)，化學(xué)氣相沉積法制備的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜的脫鹽率為99.92%。

4 總結(jié)

綜上所述，本文設(shè)計(jì)并制備了能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)的微米網(wǎng)狀-碳納米管膜。這種膜材料以網(wǎng)狀骨架為基底，網(wǎng)狀骨架上生長(zhǎng)的碳納米管是這種材料的光熱轉(zhuǎn)換活性中心，這種膜材料對(duì)太陽(yáng)光具有較好的吸收效果。經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文提供的太陽(yáng)光蒸發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)較高蒸發(fā)速率的重鹽水脫鹽，并且脫鹽率可以達(dá)到99.92%。本文研究的微米網(wǎng)絡(luò)-碳納米管膜以及輕巧便攜式的太陽(yáng)能蒸發(fā)器，將為人們迅速汲取飲用水，利用太陽(yáng)光處理污水或者重鹽水，將海水變?yōu)榭娠嬘玫募兯峁┮粋€(gè)快速便捷的方法。

致謝：感謝廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院陳薪羽老師在論文寫(xiě)作上的指導(dǎo)和幫助。