利用激光誘導(dǎo)石墨烯實(shí)現(xiàn)高效太陽能界面蒸發(fā)

陳雪梅，王彤，高玉箔，彭鼎程，羅雨婷

（南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

引 言

隨著人口的迅速增長和水污染趨于嚴(yán)峻，淡水資源短缺問題日益嚴(yán)重。由于海水資源豐富，因此從海水中提取淡水被認(rèn)為是能夠增加淡水總量，進(jìn)而從根源上緩解淡水資源短缺危機(jī)的方法。傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)主要可以分為熱法和膜法[1]。這兩種技術(shù)都依靠化石能源驅(qū)動(dòng)，會(huì)加劇能源危機(jī)和溫室效應(yīng)[2-4]。太陽能界面蒸發(fā)海水淡化技術(shù)由于能夠高效利用清潔且可再生的太陽能而受到廣泛的關(guān)注[5-7]。高效太陽能界面蒸發(fā)的實(shí)現(xiàn)取決于包括光吸收體在內(nèi)的太陽能蒸發(fā)器的構(gòu)建。隨著研究的不斷開展，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的太陽能界面蒸發(fā)具有以下問題：（1）構(gòu)建的蒸發(fā)系統(tǒng)與水體的直接接觸，造成不可避免的熱傳導(dǎo)損失；（2）光吸收體的光吸收性能較差，未能充分利用太陽能。為了進(jìn)一步提高太陽能界面蒸發(fā)的光熱轉(zhuǎn)化效率，降低吸收體對水體的熱傳導(dǎo)，Ghasemi 等[8]提出了一種熱局域化雙層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通過在蒸發(fā)界面和水體之間增添隔熱裝置將太陽能轉(zhuǎn)化的熱量定位到蒸發(fā)區(qū)，大大提高了能量利用率，減少了不必要的熱損失。同時(shí)這種熱局域化雙層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以漂浮在海面上進(jìn)行海水淡化。為有效解決光吸收體光吸收損耗的問題，一系列新材料和新結(jié)構(gòu)被提出。目前用作光吸收體的材料主要可以分為四大類：等離子體納米顆粒[9-10]、過渡金屬氧化物[11]、碳基材料[12-13]和聚合物材料[14-16]。其中，碳基材料，尤其是石墨烯[17]，由于具有寬譜太陽光吸收能力、高的吸光率、優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化能力，以及良好的穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用[18]。然而，傳統(tǒng)的石墨烯制備方法如氧化還原法[19]、機(jī)械剝離法[20]、化學(xué)氣相沉積法[21]等都需要嚴(yán)格的高溫或高壓環(huán)境，并且通常伴隨著復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，會(huì)造成一定的環(huán)境污染。2014年，Lin等[22]首次發(fā)現(xiàn)可以在商業(yè)聚酰亞胺薄膜上通過CO2激光燒蝕一步生成石墨烯，即激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG），并指出其在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。隨后，越來越多的材料，包括聚合物基板[23]，植物[24-25]、紡織物[26-27]等可生物降解和天然存在的材料和食品都被發(fā)現(xiàn)可在一定的環(huán)境氛圍和特定的激光功率作用下生成石墨烯。相比于傳統(tǒng)的石墨烯制備技術(shù)，LIG 技術(shù)具有操作簡單、成本低、環(huán)境友好以及同樣適用于大規(guī)模制備等優(yōu)點(diǎn)。目前，基于LIG 技術(shù)，已經(jīng)開發(fā)出了多種設(shè)備，包括傳感器[28]、超級電容器[29]和納米發(fā)電機(jī)[30]等。

本文擬使用LIG 技術(shù)制備光熱膜用于實(shí)現(xiàn)持續(xù)高效的太陽能界面蒸發(fā)。以商業(yè)隔熱軟木板（ICB板）為基底，在其表面通過激光誘導(dǎo)生成石墨烯，得到以ICB 板為基底的石墨烯膜（ICB-LIG 膜）；分別以聚苯乙烯泡沫和無塵紙作為隔熱材料和供水通道，構(gòu)筑完整的太陽能蒸發(fā)器。對ICB-LIG 膜的結(jié)構(gòu)特征和元素組成等性能進(jìn)行表征，并搭建實(shí)驗(yàn)裝置對該太陽能蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能、耐久性以及海水淡化性能進(jìn)行探究。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 主要材料及儀器

氯化鈉（NaCl），分析純，上海邁瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司；發(fā)泡聚苯乙烯泡沫（EPS），武義縣白洋超前包裝耗材廠；ICB 板，嘉興拉菲新材料科技有限公司；激光雕刻機(jī)（PLS6MW），美國優(yōu)利激光公司；紅外熱像儀（A615），F(xiàn)LIR 公司；氙燈光源（CELS500），帶有濾鏡元件AM1.5，北京中教金源科技有限公司；熱電偶（KQXL-N05），OMEGA 公司；電子天平（JJ224BC）；無塵紙。如無特殊說明，實(shí)驗(yàn)全過程中均使用由上海和泰儀器有限公司提供的純水機(jī)生產(chǎn)的純水，以確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1.2 太陽能蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)與制備

1.2.1 ICB-LIG 膜的制備 本實(shí)驗(yàn)所制備的 ICBLIG 膜的規(guī)格為一個(gè)直徑35 mm 的圓。首先在CorelDRAW 軟件中畫一個(gè)直徑為35 mm 的圓，然后輸入到激光燒蝕系統(tǒng)中對ICB 板進(jìn)行燒蝕。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率過高或速度過慢時(shí)，光斑直徑增大且激光束作用時(shí)間長，ICB 板會(huì)被過度燒蝕，最終得到的ICB-LIG膜孔隙結(jié)構(gòu)較大，透光性較強(qiáng)，光吸收率較低；而若激光功率過低或速度過快，光斑直徑小且激光束作用時(shí)間短，不利于石墨烯的形成。因此，本實(shí)驗(yàn)中采用的激光燒蝕參數(shù)為：激光波長10.6 μm，功率5.6 W，速度0.112 m·s-1，像素密度4，掃描模式為光柵模式。上述參數(shù)的確定是反復(fù)嘗試得到的最合適的結(jié)果。最后，將激光燒蝕所得的ICB-LIG 膜浸入純水中靜置10 min，以排空其中氣泡，然后取出晾干，以用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 隔熱供水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制備 在本實(shí)驗(yàn)中，將EPS 泡沫（熱導(dǎo)率：0.04 W·m-1·K-1）和無塵紙分別作為隔熱材料和供水通道交替包裹起來組成隔熱供水結(jié)構(gòu)，置于光熱膜與水體之間。隔熱供水結(jié)構(gòu)的具體制備過程如圖1所示。首先利用激光燒蝕技術(shù)將EPS 泡沫切割成外徑分別為10、25、35 和38 mm 的同心圓[圖1（a）]。然后在其外緣分別纏上無塵紙（厚度0.66 mm，高度20 mm），按照圖1（a）箭頭所示方向?qū)訉咏M裝起來，得到如圖1（c）所示的隔熱供水結(jié)構(gòu)。

圖1 隔熱供水結(jié)構(gòu)Fig.1 Insulated water supply structure

1.3 材料的表征

利用掃描電子顯微鏡（Gemini SEM 500）觀察ICB 板和ICB-LIG 膜的表面形貌；利用拉曼光譜儀（HORIBA EVOLUTION）得到ICB 板和ICB-LIG 膜拉曼光譜；利用X 射線光電子能譜儀（Thermo ESCALAB250Ⅺ）和X 射線衍射分析儀（BrukerD8）分析ICB 板及ICB-LIG 膜的元素組成；利用紫外-可見光-近紅外分光光度計(jì)得到ICB-LIG 膜光吸收率（A,%）；利用孔徑分析儀(AutoPore Ⅳ 9500 Ⅴ1.09)測定ICB-LIG膜的孔隙率及孔徑分布。

1.4 太陽能驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置及研究方法

為了對上述設(shè)計(jì)并制備的太陽能蒸發(fā)器（圖2）的蒸發(fā)性能進(jìn)行測試，搭建了如圖3 所示的實(shí)驗(yàn)裝置。太陽能蒸發(fā)器被放置在一個(gè)盛滿溶液的亞克力容器中，容器的外緣均勻纏繞有橡膠和黑色塑料絕緣棉，以減少與環(huán)境的熱交換。太陽能蒸發(fā)器從上至下依次為：直徑35 mm的ICB-LIG 膜，用以吸收光能，并轉(zhuǎn)化為熱能驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)；直徑同為35 mm 的親水性無塵紙，吸收供水通道輸送上來的水分，并將其均勻地提供給ICB-LIG 膜；由EPS和無塵紙層層組裝得到的隔熱供水結(jié)構(gòu)，用于避免水體與ICB-LIG 膜直接接觸，減少熱損失，同時(shí)提供充足的水分。除此之外，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中還包括用于測量水體溫度的直徑為0.5 mm 的熱電偶和用于測量ICBLIG 膜表面溫度的紅外熱成像儀，以及質(zhì)量測量裝置（電子天平），用以測量蒸發(fā)系統(tǒng)的質(zhì)量變化，并由此計(jì)算得到蒸發(fā)速率。

圖2 太陽能蒸發(fā)器示意圖Fig.2 Schematic diagram of solar evaporator

圖3 太陽能界面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of solar interfacial evaporation experimental device

蒸發(fā)速率的計(jì)算采用式（1）：

其中，Δm是由于水的蒸發(fā)而引起的系統(tǒng)的質(zhì)量變化，kg；S是光熱膜的蒸發(fā)面積，m2；Δt是光照時(shí)間，h。值得一提的是，蒸發(fā)是一個(gè)自然的過程，即使在沒有光照的條件下，由于環(huán)境影響，蒸發(fā)過程也在緩慢地進(jìn)行（暗場蒸發(fā)）。為了排除環(huán)境對樣品蒸發(fā)速率的影響，本文在所有測得的蒸發(fā)速率上均減去了暗場蒸發(fā)。

光熱轉(zhuǎn)化效率的計(jì)算采用式（2）：

其中，Copt是光學(xué)濃度；q0是一個(gè)太陽的標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)，sun(1 sun=1 kW·m-2）；hLV表示水在變?yōu)樗魵獾倪^程中的總焓變，kJ·kg-1，包括由于水的溫度升高引起的顯焓的變化，以及液-氣相變吸收的潛熱，其具體計(jì)算可參考式（3）:

其中，λ是水從液態(tài)變?yōu)橥瑴囟认碌臍鈶B(tài)的相變潛熱，通常取2257 kJ·kg-1；C是水的比熱容，為4.2 kJ·kg-1·K-1；T1是紅外相機(jī)測得的膜表面的平均溫度，也是膜表面孔隙內(nèi)的水的溫度；T2是熱電偶測得的容器底部塊狀水的溫度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 ICB板及ICB-LIG膜的結(jié)構(gòu)表征

從圖4（a） ICB 板的表面形貌可以看出，ICB 板本身具有均勻分布且輪廓分明的內(nèi)部孔隙，其孔徑約為24 μm。圖4（b）和（c）是ICB-LIG 膜在不同放大倍數(shù)下的表面形貌圖。由圖4（b）可知，激光燒蝕后ICB 板表面會(huì)出現(xiàn)明顯的激光劃痕，表面粗糙度明顯增大，相比于光滑表面結(jié)構(gòu)，其有效蒸發(fā)面積更大，因此更有利于水的蒸發(fā)以及實(shí)現(xiàn)對入射光的多次反射和吸收。在更高的放大倍數(shù)[圖4（c）]下可以看到ICB-LIG 膜也具有許多孔隙，孔徑分布從微米到納米不等，為水的擴(kuò)散和蒸汽的逸出提供了充分的通道。從圖4（d）可以看出ICB-LIG 膜有明顯的分層結(jié)構(gòu)，其中上層結(jié)構(gòu)較為松散，為激光燒蝕產(chǎn)物，下層結(jié)構(gòu)排列緊密，為ICB 板，內(nèi)部孔隙較大的ICB 板能夠更好地吸收和儲(chǔ)存水分，同時(shí)支撐起上層疏松多孔的激光燒蝕產(chǎn)物，保證了膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，延長了使用壽命。另外，圖5顯示ICB- LIG膜具有良好的柔韌性，可以承受大幅度彎折。

圖4 ICB板及ICB-LIG膜的SEM圖像Fig.4 SEM images of ICB plate and ICB-LIG membrane

圖5 ICB-LIG膜的柔韌性及可彎曲能力Fig.5 Flexibility and bendability of the ICB-LIG membrane

石墨烯結(jié)構(gòu)通常利用拉曼光譜進(jìn)行分析。圖6（a）拉曼光譜顯示ICB-LIG 膜有明顯的D 峰、G 峰和2D 峰，其中D 峰位于1350 cm-1附近，涉及一個(gè)缺陷散射的雙共振拉曼過程，常被用來評估石墨烯的缺陷程度和雜質(zhì)含量[31]。G 峰位于1578 cm-1附近，是石墨烯的主要特征峰，由sp2碳原子的面內(nèi)振動(dòng)引起。2D峰位于2700 cm-1附近，與石墨烯電子能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[32]。D 峰與G 峰的強(qiáng)度比通常被用作表征石墨烯缺陷密度的重要參數(shù)，ID/IG越小，說明石墨烯的缺陷密度越小，即石墨化程度越高[33]。在ICBLIG 膜中，ID/IG值約為0.92（采用氧化還原法制備的石墨烯ID/IG比值一般在0.8～1.5之間[34]），表明激光燒蝕得到的ICB-LIG 膜石墨化程度較高。XRD 光譜[圖6（b）]顯示ICB-LIG 膜有一個(gè)10°～30°的寬峰，這是由六邊形結(jié)構(gòu)碳的002 平面引起的。全掃描XPS光譜[圖6（c）]顯示ICB 板和ICB-LIG 膜均有明顯的C 1s和O 1s峰，而N 1s峰并不明顯，推測N元素在二者中的含量非常少。為了獲取更多的信息，收集了C、N、O 元素的高分辨率XPS 數(shù)據(jù)，并對結(jié)果進(jìn)行了分峰處理，得到的結(jié)果如圖6（d）～（f）所示。從C 1s的XPS 光譜中可以看到，激光燒蝕后C O 峰消失，C—O峰的相對強(qiáng)度大幅度降低，而C—C峰的相對強(qiáng)度明顯上升；在O 1s 的XPS 光譜中，激光燒蝕后吸附O 峰的相對強(qiáng)度增大，晶格O 峰的相對強(qiáng)度降低。在ICB 板和ICB-LIG 膜中，C 元素的占比分別為75.00%和84.63%，O 元素的占比分別為23.01%和13.73%，而N 元素的占比則僅為1.99%和1.65%，含量極少。這說明激光燒蝕后ICB 板被較大幅度地炭化。

圖6 ICB板和ICB-LIG膜的表征Fig.6 Characterization of ICB plate and ICB-LIG membrane

為確定ICB 板及ICB-LIG 膜是否具有優(yōu)異的光吸收性能，利用紫外-可見光-近紅外分光光度計(jì)對其在太陽光譜范圍內(nèi)（300～2500 nm）的透過率（T，%）和反射率（R，%）進(jìn)行了測量，并通過公式A=1-T-R計(jì)算得到了材料的光吸收率。從圖7 可以看出，ICB-LIG 膜的光吸收率（95.56%）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ICB板（約31.81%），這是因?yàn)榧す庹T導(dǎo)生成的石墨烯本身就具有很高的光吸收能力，而且ICB-LIG 膜表面的粗糙結(jié)構(gòu)可以作為光陷阱，使光子在材料內(nèi)部發(fā)生多次反射與吸收，進(jìn)而增強(qiáng)材料的光吸收能力[35]。

圖7 ICB板和ICB-LIG膜的吸光率Fig.7 Optical absorptivity of ICB plate and ICB-LIG membrane

高效的光熱轉(zhuǎn)化效率是水蒸氣產(chǎn)生的關(guān)鍵條件之一。為方便比較未經(jīng)燒蝕的ICB 板和激光燒蝕后形成的ICB-LIG 膜的光熱轉(zhuǎn)化能力，采用與1.2.1節(jié)中相同的參數(shù)在ICB 板表面燒蝕出“NJUST”的字樣。將燒蝕好的ICB 板置于1 倍太陽光強(qiáng)下的氙燈光源下，利用紅外熱成像儀觀察記錄ICB 板上各處的溫度變化，得到如圖8 所示的結(jié)果。將氙燈光源打開的瞬間作為初始時(shí)刻，記作0 s，可以看出，隨著照射時(shí)間的增加，ICB 板各處的溫度不斷升高。0 s時(shí)激光燒蝕部分（“NJUST”字樣）的溫度為28.3℃，3 s 時(shí)溫度上升到40.5℃，30 s 時(shí)溫度達(dá)到56.7℃，60 s時(shí)溫度達(dá)到61.2℃，整個(gè)過程中的溫升為32.9℃，而ICB 板上未經(jīng)燒蝕的部分在上述四個(gè)時(shí)刻溫度分別為27.3、35.6、43.7、45.2℃，整 個(gè) 過 程 中 溫 升 為17.9℃，約為燒蝕部分溫升的一半。由此可見，激光燒蝕后的ICB 板具有更高的光熱轉(zhuǎn)化能力，能夠迅速地對光進(jìn)行響應(yīng)并將其轉(zhuǎn)化為熱能。這里需要說明的一點(diǎn)是，由ICB 板上未經(jīng)燒蝕的部分吸收光能而轉(zhuǎn)化為熱能產(chǎn)生的溫升是要小于17.9℃的，這是因?yàn)椋谶@項(xiàng)測試中，該部分的溫升除了來源于自身光熱響應(yīng)外，還有部分來源于材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)（熱量從溫度較高的燒蝕部分傳導(dǎo)到溫度較低的未燒蝕部分）。

圖8 帶有激光燒蝕字母“NJUST”的ICB板在1倍太陽光強(qiáng)照射下的紅外溫度圖Fig.8 Infrared temperature map of ICB plate with laser-etched letter “NJUST” under 1 sun illumination

2.2 ICB板及ICB-LIG膜的蒸發(fā)性能測試

2.2.1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl 溶液中ICB 板與ICBLIG 膜的蒸發(fā)性能 高效的光吸收和快速的光熱響應(yīng)能力必然會(huì)賦予ICB-LIG 膜優(yōu)異的蒸發(fā)性能。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，分別將以ICB 板和ICB-LIG 膜為光熱膜的蒸發(fā)器放入3.5%（質(zhì)量）的NaCl 溶液中，在1倍太陽光強(qiáng)下照射70 min，通過電子天平記錄實(shí)驗(yàn)過程中由水的蒸發(fā)引起的系統(tǒng)質(zhì)量隨時(shí)間的變化（圖9），并計(jì)算得到蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)化效率。結(jié)果顯示，以ICB-LIG 膜為光熱膜的蒸發(fā)器的質(zhì)量變化速率要明顯高于以ICB 板為光熱膜的蒸發(fā)器。取10～70 min 穩(wěn)定的數(shù)據(jù)做計(jì)算，可以得出，ICB 板的蒸 發(fā) 速 率 為1.05 kg·m-2·h-1，光 熱 轉(zhuǎn) 化 效 率 為67.95%；ICB-LIG 膜的蒸發(fā)速率為1.47 kg·m-2·h-1，光熱轉(zhuǎn)化效率為86.04%。顯然，ICB-LIG 膜具有比ICB 板更好的蒸發(fā)性能。這是由于激光燒蝕后ICB板表面形成的粗糙多孔結(jié)構(gòu)一方面十分有利于光的反射和吸收，另一方面也有利于水分的擴(kuò)散和蒸汽的逃逸[35]。

圖9 1倍太陽光強(qiáng)下3.5%（質(zhì)量）的NaCl溶液中ICB板和ICB-LIG膜蒸發(fā)系統(tǒng)的質(zhì)量變化Fig.9 Mass change of evaporation system of ICB plate and ICB-LIG membrane in 3.5%(mass) NaCl solution under 1 sun illumination

2.2.2 不同溶液濃度下ICB-LIG膜的蒸發(fā)性能 為了探究ICB-LIG 膜的實(shí)用性和持久性，分別測定并計(jì)算在1 倍太陽光強(qiáng)下，5 種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液（0、3.5%、10%、15%、20%）中ICB-LIG 膜的蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)化效率，得到如圖10 所示的結(jié)果。當(dāng)NaCl 溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0 增加到20%時(shí)，蒸發(fā)速率由1.36 kg·m-2·h-1降至1.16 kg·m-2·h-1，光熱轉(zhuǎn)化效率由87.85%降至75.26%。較為明顯的蒸發(fā)性能的下降一方面是因?yàn)殡S著鹽濃度的增加，無塵紙中的毛細(xì)吸力所需要克服的鹽離子與水分子之間的相互作用力增大，將水從底部運(yùn)輸至上層光熱膜就越困難；另一方面則可能是因?yàn)槌跏见}濃度越高的蒸發(fā)系統(tǒng)，其容器內(nèi)部鹽溶液更容易達(dá)到飽和濃度，從而導(dǎo)致鹽結(jié)晶，阻礙了水輸送和蒸汽的溢出。

圖10 1倍太陽光強(qiáng)下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液（0、3.5%、10%、15%、20%）中ICB-LIG膜的蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)化效率Fig.10 Evaporation rate and photothermal conversion efficiency of ICB-LIG membrane in different mass fraction of NaCl solution (0, 3.5%, 10%, 15%, 20%) under 1 sun illumination

2.2.3 不同光強(qiáng)下ICB-LIG膜的蒸發(fā)性能 考慮到實(shí)際應(yīng)用過程中不同時(shí)間、不同地區(qū)的太陽光強(qiáng)度并不相同，還探究了不同光強(qiáng)下（0.6、1、2、3 sun）ICB-LIG 膜的蒸發(fā)性能。實(shí)驗(yàn)中采用3.5%（質(zhì)量）的NaCl 溶液作為模擬海水，得到圖11 所示的結(jié)果。從圖11（a）可以看出，相同時(shí)間內(nèi)，隨著光強(qiáng)的增大，基于ICB-LIG膜的蒸發(fā)器的質(zhì)量變化越明顯，且質(zhì)量變化速率與光照強(qiáng)度成正相關(guān)。圖11（b）顯示了蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)化效率隨光照強(qiáng)度的變化，在0.6、1、2、3 sun 時(shí)，基于ICB-LIG 膜的蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率分別是0.83、1.33、2.55、3.60 kg·m-2·h-1，其對應(yīng)的光熱轉(zhuǎn)化效率則分別為88.42%、86.06%、83.78%、79.54%。隨著光強(qiáng)的增大，蒸發(fā)速率迅速增大，但是其對應(yīng)的光熱轉(zhuǎn)化效率卻越來越小。這是因?yàn)?，隨著光照強(qiáng)度的增加，光熱膜的表面溫度迅速升高，而環(huán)境溫度基本保持恒定，因此光熱膜與環(huán)境的溫差加大，直接加劇了蒸發(fā)系統(tǒng)向環(huán)境的散熱，由此造成光熱轉(zhuǎn)化效率下降[36]。由圖11（c）可知，在某一特定光照強(qiáng)度下，ICB-LIG 膜的表面溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，繼而保持平穩(wěn)，說明此時(shí)ICBLIG 膜吸收的熱量等于釋放的熱量，蒸發(fā)過程達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)；而且光照越強(qiáng)，ICB-LIG 膜穩(wěn)定時(shí)的表面溫度越高，這也直接驗(yàn)證了隨著光強(qiáng)的增大，膜的溫度升高導(dǎo)致了光熱轉(zhuǎn)化效率下降。圖11（d）顯示，在1 倍太陽光強(qiáng)下，膜表面的平均溫度是44.86℃，而底部的平均水溫則僅為26.62℃，表明由ICB-LIG 膜、EPS 以及無塵紙組成的太陽能蒸發(fā)器具有優(yōu)異的熱局域能力。

圖11 不同光強(qiáng)下3.5%（質(zhì)量） NaCl溶液中蒸發(fā)系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)變化以及1倍光強(qiáng)下膜溫與水溫隨時(shí)間的變化Fig.11 The data changes of the evaporation system in the 3.5%(mass) NaCl solution under different light intensities and change of membrane temperature and water temperature under 1 sun illumination

2.2.4 耐久性循環(huán)測試 為了測試ICB-LIG膜能否在長時(shí)間的反復(fù)使用與洗滌過程中保持穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了為期7 天的循環(huán)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)循環(huán)共7 次，每次都在同一時(shí)間段進(jìn)行，且蒸發(fā)器均以同一個(gè)ICB-LIG膜為光熱膜，將太陽能蒸發(fā)器放置在3.5%（質(zhì)量）的NaCl溶液中，置于1倍太陽光強(qiáng)下持續(xù)照射70 min，并記錄系統(tǒng)質(zhì)量隨時(shí)間的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用純水清洗膜表面，處理干凈后晾干備用。最后一次循環(huán)結(jié)束后，對光熱膜的光吸收率進(jìn)行了測試，并與圖7 的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。結(jié)果表明，7 次循環(huán)測試后，光熱膜對近紅外段的光吸收性能略有下降，但仍然保持在較高的水平，始終維持在92%以上[圖12（a）]；ICB-LIG 膜的蒸發(fā)速率下降幅度較小，僅為3.0%，但其光熱轉(zhuǎn)化效率一直維持在84%以上，沒有明顯的下降[圖12（b）]。在7 次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)化效率總體呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。這是因?yàn)殡S著循環(huán)進(jìn)程的進(jìn)行，ICB-LIG 膜表面可能出現(xiàn)輕微破損，導(dǎo)致孔徑增大，進(jìn)而有利于蒸汽的溢出，導(dǎo)致膜蒸發(fā)性能的提升；若孔徑持續(xù)增大，ICB-LIG 膜表面結(jié)構(gòu)將會(huì)遭到破壞，其蒸發(fā)性能可能會(huì)急劇降低。因此為了驗(yàn)證該猜想，循環(huán)測試后，觀察了樣品的表面形貌（圖13），從低放大倍數(shù)的SEM 圖[圖13(a)]中可以看出，循環(huán)測試后樣品表面已經(jīng)沒有肉眼可見的激光劃痕，ICB-LIG 表面結(jié)構(gòu)受到了輕微損壞，造成其光吸收率會(huì)有所下降。但從高放大倍數(shù)的SEM 圖[圖13(b)]中可以看出，ICB-LIG 膜表面仍具有大量內(nèi)部孔隙，有利于水的擴(kuò)散和蒸汽的逸出，因此蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)化效率并沒有出現(xiàn)大幅度的變化。因此，基于ICB-LIG膜的太陽能蒸發(fā)器具有良好的蒸發(fā)性能和耐久性。

圖12 循環(huán)測試前后ICB-LIG膜的吸光率和蒸發(fā)性能Fig.12 The comparison of absorbance and evaporative properties of ICB-LIG membrane before and after cycle

圖13 循環(huán)測試后ICB-LIG膜的表面SEM圖Fig.13 SEM images of ICB-LIG membrane after cycle

2.2.5 不同數(shù)量供水通道下ICB-LIG膜的蒸發(fā)性能及耐鹽性能 （1）不同數(shù)量供水通道下膜的蒸發(fā)性能。前述實(shí)驗(yàn)中，一致采用的是具有三層供水通道的隔熱供水結(jié)構(gòu)[圖14（a）插圖]，供水通道由外到內(nèi)依次標(biāo)為a、b、c。將具有c 單層供水通道的太陽能蒸發(fā)器稱為裝置1；具有b、c兩層供水通道的太陽能蒸發(fā)器稱為裝置2；具有a、b、c三層供水通道的太陽能蒸發(fā)器稱為裝置3。實(shí)驗(yàn)過程中，分別將3個(gè)裝置置于3.5%（質(zhì)量）的NaCl溶液中，測試其在1 倍太陽光強(qiáng)下的蒸發(fā)性能。結(jié)果如圖14（a）所示，隨著供水通道數(shù)的減小，對應(yīng)的裝置3、2、1 的光熱轉(zhuǎn)化效率分別為86.0%、86.6%和90.1%，而蒸發(fā)速率則分別為1.33、1.33、1.40 kg·m-2·h-1。其中，當(dāng)只采用b、c供水通道時(shí)，蒸發(fā)速率及光熱轉(zhuǎn)化效率與三層供水通道相比，變化均不明顯，表明原先三層供水通路對頂層光熱膜的供水量遠(yuǎn)大于其需水量，因此當(dāng)供水通道數(shù)減少一層時(shí)其蒸發(fā)性能變化并不明顯。當(dāng)只采用c 供水通道時(shí)，蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率及效率都有明顯的提升，這是因?yàn)榫哂袉螌铀斔屯ǖ赖母魺峁┧Y(jié)構(gòu)，其供水量明顯減少，致使用于加熱多余水的熱量減少，即光熱膜產(chǎn)生的熱量用于顯熱的部分減少，因此水蒸氣的產(chǎn)生速率和蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)化效率明顯增大。為了近一步探究光熱膜產(chǎn)熱去向的變化，對三個(gè)裝置的膜溫進(jìn)行了測量，如圖14(b)所示，隨著通道數(shù)減少，膜溫升高，這表明光熱膜產(chǎn)熱用于顯熱部分減少的熱量多用于提高自身溫度，所以蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)化效率顯著增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)表明，具有單層供水通道的太陽能蒸發(fā)器具有較為優(yōu)異的蒸發(fā)性能，但在實(shí)際應(yīng)用中，還需綜合考慮多方面因素，如蒸發(fā)系統(tǒng)的耐鹽性能等。

圖14 1倍太陽光照下3.5%（質(zhì)量）NaCl溶液中不同供水通道數(shù)下ICB-LIG膜的蒸發(fā)性能Fig.14 The evaporation performance of ICB-LIG membrane with different number of water supply channels in 3.5% (mass) NaCl solution under 1 sun illumination

（2）不同數(shù)量供水通道下膜的耐鹽性能。鹽沉積是太陽能界面蒸發(fā)過程中的常見伴隨物。在連續(xù)工作條件下，析出的鹽會(huì)在蒸發(fā)界面處積聚，極易造成孔道的堵塞和光吸收率的下降，從而導(dǎo)致蒸發(fā)效率降低[37-38]。在實(shí)際使用過程中，蒸發(fā)器需要在白天連續(xù)工作，光熱膜表面會(huì)積累一些鹽結(jié)晶。夜晚不工作時(shí)，光熱膜上的鹽結(jié)晶會(huì)有部分溶解回海水里，減少結(jié)晶的積累，有利于第二天蒸發(fā)器正常工作。基于此現(xiàn)象，分別將0.5 g NaCl固體平鋪在前文中提及的裝置1、2、3 的光熱膜表面，模擬白天工作后光熱膜表面積累的鹽結(jié)晶，然后觀察其在無光照情況下的溶解情況（圖15）?？梢钥闯觯哂幸粚樱ㄑb置1）和兩層（裝置2）供水通道的蒸發(fā)器在180 min 內(nèi)無法完全溶解，并且剩余有少量鹽沉積。而具有三層供水通道（裝置3）的蒸發(fā)器能夠?qū)⒔Y(jié)晶快速溶解，表明其具有較快的自我恢復(fù)能力，更適合長期連續(xù)使用。

圖15 不同供水通道數(shù)下膜表面鹽的溶解情況Fig.15 Salt dissolution on the surface of the membrane under different number of water supply channels

2.2.6 海水淡化性能 為了評估基于ICB-LIG 光熱膜的太陽能蒸發(fā)器的海水淡化性能，選用了四種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（3.5%、10%、15%、20%）的NaCl 溶液模擬海水。使用圖16 所示的密閉容器進(jìn)行水蒸氣的產(chǎn)生和冷凝收集實(shí)驗(yàn)，然后采用電導(dǎo)率儀（型號：DDJ-308A）測量收集水的鹽度并將其與測試前NaCl 溶液的濃度進(jìn)行比較，得到圖17 所示的結(jié)果。質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%、10%、15%、20%的NaCl 溶液對應(yīng)的鹽度分別是23556、59479、80815、118958 mg·L-1，經(jīng)過海水淡化后，其收集水的鹽度則分別是2.87、3.78、1.21、1.72 mg·L-1，相較于淡化前低了4～5 個(gè)數(shù)量級。因此，基于ICB-LIG 光熱膜的太陽能蒸發(fā)器具有良好的海水淡化性能。除此之外，淡化后所得水的鹽度遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織（WHO）規(guī)定的人類飲用水標(biāo)準(zhǔn)鹽度。該結(jié)果表明，通過太陽能界面蒸發(fā)從海水中提取的淡水可以作為人類飲用水，這對于緩解淡水資源短缺危機(jī)具有重大的意義。

圖16 水收集裝置示意圖Fig.16 Schematic diagram of the water collection device

圖17 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液淡化前后的鹽度[虛線代表WHO定義的飲用水標(biāo)準(zhǔn)鹽度（1000 mg·L-1）]Fig.17 Salinity before and after desalting NaCl solutions with different mass fraction [dotted line represents the WHO standard salinity for drinking water (1000 mg·L-1)]

3 結(jié) 論

利用激光燒蝕技術(shù)在ICB 板上生成了ICB-LIG光熱復(fù)合膜，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)建了高效的太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)裝置，其具有優(yōu)異的特性：在1倍太陽光強(qiáng)下，3.5%（質(zhì)量）的NaCl溶液中能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)1.33 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率和86.0%的光熱轉(zhuǎn)化效率；穩(wěn)定狀態(tài)下ICB-LIG 膜表面溫度約為44.86℃,高于底層水體的溫度，證實(shí)其局域表面加熱能力良好；循環(huán)測試和耐鹽性能測試結(jié)果表明，ICB-LIG 膜具有良好的穩(wěn)定性，具有三層供水通道的蒸發(fā)器能夠迅速溶解鹽結(jié)晶，具有較好的自我恢復(fù)能力。該蒸發(fā)器具有優(yōu)異的海水淡化性能，淡化后的水符合WHO規(guī)定的飲用水鹽度標(biāo)準(zhǔn)，可以作為飲用水供人類飲用。