光熱膜：實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的高效熱轉(zhuǎn)化

李禾

光熱膜材料在太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)應(yīng)具有良好的吸光性，可最大限度吸收太陽(yáng)光；具有粗糙的多孔表面，可降低對(duì)光的漫反射率和損耗，使膜表面能吸收到更多的太陽(yáng)光；在光熱膜下層設(shè)計(jì)良好的隔熱層，可降低熱量傳遞，減少能量損失。

由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)，通過(guò)光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生水蒸氣是一種高效、新興的太陽(yáng)能利用方式，在海水淡化、污水治理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但太陽(yáng)能在到達(dá)地球后，能量密度小又不連續(xù)，是低品位熱源。將太陽(yáng)能進(jìn)行富集，轉(zhuǎn)換成高品位熱能，就需要利用光熱材料與光熱器件。而目前最具潛力的光熱材料形式之一，就是光熱膜材料。

什么是光熱膜材料？光熱膜材料通常具備哪些特點(diǎn)？除海水淡化外，光熱膜還能應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？帶著這些問(wèn)題記者采訪(fǎng)了相關(guān)專(zhuān)家。

光熱膜材料是太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)技術(shù)的核心

由于水對(duì)太陽(yáng)能的吸收率低，在自然蒸發(fā)條件下，太陽(yáng)能利用率低，蒸發(fā)速度比較慢。湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)王賢保說(shuō)，普通的太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換采用的是太陽(yáng)能集熱管，像太陽(yáng)能熱水器對(duì)太陽(yáng)光熱的利用效能只有20%。

光熱膜材料被認(rèn)為是一種吸收太陽(yáng)能并能將其高效轉(zhuǎn)換為熱能的膜材料，它是太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)技術(shù)的核心。但是在通過(guò)光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生水蒸氣的過(guò)程中，部分光熱能量會(huì)不可避免地散失在空氣、水等周?chē)蜏氐沫h(huán)境中。

中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所副所長(zhǎng)江河清研究員說(shuō)，光熱膜材料在太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)應(yīng)具有良好的吸光性，可最大限度吸收太陽(yáng)光；具有粗糙的多孔表面，可降低對(duì)光的漫反射率和損耗，使膜表面能吸收到更多的太陽(yáng)光；在光熱膜下層設(shè)計(jì)良好的隔熱層，可降低熱量傳遞，減少能量損失。光熱膜材料還應(yīng)具有良好的水傳輸性能，比如具有豐富的親水互連孔隙結(jié)構(gòu)等，以保證水蒸發(fā)過(guò)程中水輸送供應(yīng)的順暢。

常見(jiàn)的光熱膜材料大致可分為無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料兩類(lèi)，無(wú)機(jī)材料主要包括金屬納米材料，如貴金屬納米顆粒、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料、碳基材料；有機(jī)材料則包括有機(jī)小分子化合物及聚合物材料，如聚吡咯等。

“把無(wú)機(jī)或有機(jī)的光熱材料，經(jīng)過(guò)共混紡絲、表面涂敷、原位改性、材料組裝等工藝環(huán)節(jié)處理后，就能制備成具有多孔結(jié)構(gòu)的光熱膜?！敝袊?guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所副研究員宋向菊說(shuō)，在水蒸發(fā)過(guò)程中，料液中的水經(jīng)光熱膜孔道的毛細(xì)管作用，傳輸?shù)侥け砻?，處于膜表面的水吸收熱量形成水蒸氣，?jīng)冷凝后便可以獲得純凈的淡水。

為提升性能優(yōu)化材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，光熱膜材料在實(shí)際應(yīng)用中，還存在能量損失、成本高、穩(wěn)定性不足等諸多瓶頸與問(wèn)題。比如光熱膜材料在光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)熱傳導(dǎo)和熱輻射等情況，導(dǎo)致部分能量損失；某些光熱膜材料在高溫和強(qiáng)光照射下，可能會(huì)出現(xiàn)腐蝕或降解，從而影響材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和壽命。在海水淡化應(yīng)用中，還存在鹽析現(xiàn)象，也就是說(shuō)，海水蒸發(fā)獲得淡水的同時(shí)，凝結(jié)出的鹽會(huì)吸附在光熱膜表面，降低了膜對(duì)光的吸收、熱轉(zhuǎn)化的效率，從而降低了光熱膜材料的水蒸發(fā)性能。

為此，科研人員在光熱材料選擇及膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上付出了諸多努力。比如為降低能量損失、提高光熱轉(zhuǎn)化效率，在膜下表面設(shè)計(jì)隔熱層，同時(shí)對(duì)光熱膜材料表面微結(jié)構(gòu)，即表面親疏水性、粗糙度等進(jìn)行調(diào)控，一方面減少熱量向水體傳遞，另一方面提高光的吸收率；此外，通過(guò)在膜表面構(gòu)筑涂層或調(diào)控膜結(jié)構(gòu)，顯著提高了光熱膜材料的穩(wěn)定性。

近年來(lái)，江河清帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在改善光熱膜的水蒸發(fā)性能方面開(kāi)展了大量科研工作。比如在太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)過(guò)程中，水體中的藻類(lèi)、有機(jī)物會(huì)在光熱膜中富集生長(zhǎng)，造成膜污染，導(dǎo)致膜材料性能下降。團(tuán)隊(duì)為此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了具有催化和光熱特性的鈣鈦礦光熱膜，通過(guò)高溫催化降解污染物等，實(shí)現(xiàn)了光熱膜的循環(huán)再生，延長(zhǎng)了光熱膜材料的壽命。此外，團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了中空纖維陣列光熱膜，可多角度吸收太陽(yáng)能，顯著提高了太陽(yáng)光利用效率，提升了水蒸發(fā)性能；設(shè)計(jì)了具有不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的Janus光熱膜，利用光熱膜下層的親水特性，促進(jìn)水向膜表面?zhèn)鬏?，同時(shí)利用光熱膜表面疏水性，控制表面水的分布，從而控制隨水傳輸?shù)柠}離子在膜邊緣結(jié)晶、析出，不但解決了鹽析問(wèn)題，而且實(shí)現(xiàn)了鹽的收集。

國(guó)內(nèi)多家科研單位也在進(jìn)行光熱膜材料創(chuàng)新工作。比如中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員喻學(xué)鋒課題組以天然玄武巖為原料，設(shè)計(jì)制備出較為便宜、穩(wěn)定且耐腐蝕的玄武巖纖維光熱膜，在紫外線(xiàn)和近紅外光譜范圍內(nèi)，該光熱膜顯示出廣泛的吸收性。王賢保團(tuán)隊(duì)將石墨烯氣溶膠制備成一張“薄膜”，可隨波漂浮在水面上。“這種石墨烯膜材料的光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)94%，而傳統(tǒng)商業(yè)光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率僅有10%～20%。”王賢保說(shuō)。

在清潔能源和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域頗具潛力

除海水淡化外，光熱膜材料在污水處理、空氣加熱和凈化、光催化等多個(gè)領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。比如將光熱膜與超濾、納濾、反滲透等傳統(tǒng)分離技術(shù)耦合，可開(kāi)發(fā)出新型膜分離技術(shù)，利用太陽(yáng)能對(duì)原料水進(jìn)行加熱，降低水的黏度，促使水快速通過(guò)膜，從而實(shí)現(xiàn)水與有機(jī)物/鹽的有效分離，并降低能耗。

“我們團(tuán)隊(duì)將光熱材料引入聚合物分離膜，開(kāi)發(fā)了兼具光熱和分離功能的復(fù)合膜，將其應(yīng)用于水和染料的分離，顯著提升了水的滲透通量，并降低了能耗，表明其在染料廢水處理中具有較好的應(yīng)用潛力?！苯忧逭f(shuō)。

與光熱膜處理污水的技術(shù)原理相似，光熱膜還可處理空氣中的污染物。江河清研究團(tuán)隊(duì)已開(kāi)發(fā)出兼具光熱和分離特性光熱膜，將其應(yīng)用到空氣凈化領(lǐng)域，能有效去除細(xì)顆粒物（PM_2.5），同時(shí)提升室內(nèi)溫度，達(dá)到提高生活品質(zhì)的效果。

光熱膜還可應(yīng)用在光催化、能量存儲(chǔ)、工業(yè)加熱等領(lǐng)域。比如利用光熱膜材料的光熱轉(zhuǎn)化能力，促進(jìn)熱解和催化反應(yīng)，可制備出高價(jià)值化學(xué)品；在電催化領(lǐng)域，利用光熱膜可實(shí)現(xiàn)高效電解水制氫等。

宋向菊表示，光熱膜材料的產(chǎn)業(yè)化還在不斷發(fā)展中，盡管一些先進(jìn)的光熱膜材料已在實(shí)驗(yàn)室中取得了良好效果，但要將其商業(yè)化并廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，還需要突破技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的瓶頸，以確保光熱膜材料的可持續(xù)性和可靠性。

光熱膜材料在可再生能源領(lǐng)域具有巨大的潛力，其發(fā)展方向?qū)⒅饕性诓牧闲阅軆?yōu)化、多功能性應(yīng)用、成本降低等方面。比如通過(guò)優(yōu)化光熱膜結(jié)構(gòu)和組成、引入新的納米材料，提高光熱性能，以適應(yīng)不同領(lǐng)域的需求；根據(jù)光照強(qiáng)度和角度，開(kāi)發(fā)自適應(yīng)追光的智能光熱膜材料等?！半S著科技的進(jìn)步，光熱膜材料將在多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用，為清潔能源和可持續(xù)發(fā)展作出新貢獻(xiàn)?！苯忧逭f(shuō)。