中科院上海矽酸鹽所：富氧管狀碳可有效產生太陽能蒸汽

成果簡介

碳材料具有良好的集光能力，是太陽能熱轉換的一種很有前途的光吸收材料。然而，開發適合太陽能蒸汽發電的具有特定形貌和性能的先進碳材料仍然具有挑戰性。本文，中國科學院上海矽酸鹽所黃富強研究員團隊在《Carbon 》期刊發表名為「Oxygen-Enriched Tubular Carbon for Efficient Solar Steam Generation」的論文，研究通過配位配合物（PEG-CaCl2前體）的熱解合成具有均勻空心結構和某些缺陷結構的富氧管狀碳。

簡而言之，PEG分子可通過配位相互作用（Ca-O）促進熱解過程中CaCl 2納米棒的各向異性生長，並同時使用碳納米棒作為自摻雜管狀碳原位生長的碳和氧源作為理想的模板。所得的具有一維中空結構的管狀碳具有較大的比表面積（613 m2g -1）用於光吸收，低熱導率（0.0474Wm-1K-1）用於熱定位，以及豐富的親水性含氧基團（8.62 at。％的氧氣）用於有效的水輸送。因此，通過添加瓊脂粘合劑製成的基於管狀碳的自浮式光熱膜顯示出寬帶光吸收率（96％），並且在一個陽光照射下實現了91.3％的高蒸發效率。這項工作為設計和合成具有可控形貌和結構的功能化碳提供了一個新的視角。

圖文導讀

圖1。（a）富氧管狀碳的合成步驟示意圖。（b）低倍和（c）高倍放大後製得的管狀碳的SEM圖像。（d）管狀碳的TEM圖像。

圖3。（a）N 2吸附/解吸等溫線，（b）XRD圖，（c）拉曼光譜，（d）熱導率，（e）管狀碳和無孔碳的XPS測量光譜。（F）XPSÔ1 與表示接觸角測量的插圖管狀碳的光譜。

圖4。（a）尺寸為20×20 cm的大型管狀碳瓊脂膜，插圖顯示了管狀碳瓊脂膜的柔韌性。（b）瓊脂膜和管狀碳瓊脂膜的吸收光譜（左Y軸），以及按標準AM1.5G太陽光譜加權的太陽光譜輻照度（右Y軸）。（c）在太陽模擬器照射下，瓊脂膜，管狀碳瓊脂膜和散裝水的表面溫度隨時間變化。（d）在功率密度為1 kW m -2的太陽照射600 s之前和之後（e），散裝水和漂浮在水面上的膜的表面溫度分布。

圖5。（a）在光熱膜浮在水面上的情況下在太陽能蒸汽產生中的應用示意圖。（b）蒸發水蒸汽量與照射時間的關係，（c）純水和覆蓋有瓊脂膜或管狀瓊脂膜的水的相應蒸發效率。（d）實際應用的太陽能脫鹽設備。（e）海水淡化前後的鹽度比較。

小結

總之，通過富氧前體和原子Ca-O配位相結合來開發無催化劑的策略來製造摻氧的管狀碳。這項工作的發現為設計先進的碳基光熱材料提供了新的思路，該材料具有定製的結構和性能，可用於太陽能蒸汽的產生。