【背景介紹】
納米碳氣凝膠已被廣泛用作吸附，催化，燃料淨化，能量存儲和傳感方面的高性能功能材料。 近來，基於納米碳的氣凝膠在脫鹽和太陽能蒸汽蒸發應用方面也顯示出了巨大的前景，這對於開發新的清潔水技術至關重要。重要的是，納米碳氣凝膠還發現越來越多地用作穩定3D支持框架，以用於不同類型的功能納米顆粒，以形成裝飾性的雜化納米碳氣凝膠。
納米碳氣凝膠也已經被反覆研究為用於太陽能蒸發的太陽能熱轉換材料，這是一種對水脫鹽，液相分離和滅菌應用非常重要的新興技術。在這些研究中，熱量是通過吸收太陽光產生的。吸收光時產生的熱量可用於促進水蒸發（產生太陽能蒸汽）。這種方法通常需要多孔的太陽能熱轉換材料，這些材料可能會漂浮在水面的頂部，這樣太陽輻照產生的熱量就可以直接促進水的蒸發，從而總體上減少了工藝時間並降低了能源成本。因此，納米碳氣凝膠因其有效的光吸收（導致出色的熱轉換效率），超低密度（允許它們漂浮在儲水器頂部），高孔隙率（使水蒸氣能夠逸出）而成為太陽能蒸發的理想選擇通過太陽能轉換材料）和出色的物理化學穩定性（可重複使用）。
【科研摘要】
納米碳氣凝膠顯示出出色的電和太陽能加熱效率。但是，關於它們的微觀結構和加熱性能之間的關係知之甚少。最近，英國利茲大學Dong Xia，Robert Menzel等研究人員分別通過冰模板（IT）和乳液模板（ET）方法合成了兩種不同類型的碳納米管（CNT）氣凝膠，這引起了內部微觀結構，交聯密度和孔隙率。這些結構差異會導致氣凝膠電加熱的效率差異很大（例如，對於rET-CNT氣凝膠為46°C/W，對於rIT-CNT氣凝膠為75°C/W）。從納米碳類型，包膜密度和納米碳石墨方面對納米碳氣凝膠微觀結構進行系統比較，焦耳加熱效率與氣凝膠的熱導率高度相關，其中熱導率較低的氣凝膠表現出較高的焦耳加熱效率。在太陽熱氣凝膠加熱中也觀察到這種關係，與rET-CNT氣凝膠相比，導熱係數最低的氣凝膠（rIT-CNT氣凝膠）在太陽能水蒸發中的效率高30％。這些結果表明，僅通過結構控制就可以容易地調節和增強納米碳氣凝膠的加熱性能。這些發現為納米碳氣凝膠的設計提供了新的視角，適用於涉及電熱或太陽熱的應用，例如取決於溫度的分離，吸附，傳感和催化。相關論文以題為''Tuning the Electrical and Solar Thermal Heating Efficiencies of Nanocarbon Aerogels''發表在《材料化學》上。
【圖文解析】
為了研究微觀結構對氣凝膠導熱性的影響，分別通過冰模板（IT）和乳液模板（ET）的製造方法合成了兩種對比的CNT氣凝膠（rIT-CNT氣凝膠和rET-CNT氣凝膠，如圖1所示）。圖1a）。掃描電子顯微鏡（SEM）成像證實，這兩種CNT氣凝膠表現出非常不同的內部微觀結構（圖1b，c）。儘管rIT-CNT氣凝膠存在一些較大的，微米級的囊袋，可能是由於氣凝膠合成過程中形成冰晶所致，但其主要結構特徵是高度纏結的納米管具有相對緻密的連續3D網絡（圖1c）。
圖1.（a）通過聚合物輔助的冰模板（rIT-CNT氣凝膠）和聚合物輔助的乳液模板（rET-CNT氣凝膠）合成納米碳氣凝膠的示意圖。（b，c）rET-CNT氣凝膠和rIT-CNT氣凝膠的微結構，通過SEM成像（從整體氣凝膠樣品的核心區域採樣）。（d，e）rET-CNT氣凝膠和rIT-CNT氣凝膠中主要孔類型的尺寸分布，通過SEM成像確定。（f）穿過氣凝膠的氮氣壓降與兩種氣凝膠的氣體速度的函數關係，用於提取通過平面的氣體滲透率值。（g）rIT-CNT氣凝膠和rET-CNT氣凝膠的全平面氣體滲透性（在N2氣氛中）。
為了定量測量焦耳加熱特性，使用定製的焦耳加熱裝置對氣凝膠進行電學測量（圖2a）。在200°C小心預處理後，對所有樣品進行了研究，以去除納米碳表面的吸附劑（水，環境揮發性雜質），以確保焦耳熱測量的可重複性。預處理後，兩種氣凝膠在高達0.5 A的電流和20 V的電壓下均顯示出高度線性的I–U特性，這證實了氣凝膠在所研究的電流-電壓範圍內表現為歐姆電阻。該文研究的電流-電壓範圍內，觀察到電阻性氣凝膠焦耳加熱到185°C。在此溫度範圍內，氣凝膠僅顯示出相對較小的電阻率變化（在室溫和185°C之間變化小於20％，圖2b）。有趣的是，氣凝膠電阻率隨溫度的升高而降低，表明其為半導體型行為。
圖2.（a）納米碳氣凝膠焦耳加熱裝置的示意圖。（b）rET-CNT和rIT-CNT氣凝膠的電性能：電導率和相對電阻率是焦耳加熱溫度的函數。（c）通過電流階躍實驗對rET-CNT和rIT-CNT氣凝膠的焦耳加熱特性進行描述：穩態焦耳加熱核心溫度隨電功率的變化而變化。（d）rET-CNT和rIT-CNT氣凝膠在2 W時的焦耳加熱循環。（e）焦耳加熱動力學：氣凝膠芯溫度隨時間增加。（f）自然冷卻動力學：氣凝膠核心溫度隨時間降低。
為了評估加熱效率，在不同的電源輸入下測量了氣凝膠的穩態焦耳加熱溫度（P=I×V，圖2c）。產生的焦耳加熱曲線表明焦耳加熱效率有實質性差異（此處定義為每個電功率輸入的溫度升高dT/dP）。在這些溫度條件下，氣凝膠的焦耳加熱特性的穩定性和可重複性可以通過高度可重複的焦耳加熱循環得到證實（圖2d）。還觀察到兩種氣凝膠樣品的焦耳加熱速率不同。在「接通」電加熱電流（設置為2 W的恆定功率輸入）後隨時間監控焦耳加熱溫度時，兩種氣凝膠均顯示極快的加熱動力學（最高300°C / min），與rIT-CNT氣凝膠相比，rET-CNT氣凝膠的焦耳加熱略快（圖2e）。由於納米碳骨架具有出色的導熱性，一旦「關閉」了加熱電流，兩種氣凝膠都可以非常快地冷卻至室溫（冷卻速率高達320°C/min，圖2f）。
在輸入功率為2 W的情況下，對這些附加氣凝膠樣品進行焦耳加熱實驗，以測量穩態焦耳加熱特性。如預期的那樣，另外四種氣凝膠在焦耳加熱效率方面顯示出明顯的差異。但是，它們的焦耳加熱效率與關鍵的氣凝膠特性（例如電導率或包絡線密度）不相關（圖3a，b）。然而，將焦耳加熱效率繪製為導熱係數的函數時，就會出現非常明顯的相關性（圖3c）。上述熱導率與焦耳加熱效率之間的反比關係得到了證實，並且可以通過減少熱導率較低的氣凝膠中向環境的熱傳遞來定性解釋。
圖3.氣凝膠焦耳加熱效率與不同理化氣凝膠特性的關係。（a）焦耳加熱效率與氣凝膠電導率的關係圖。（b）焦耳加熱效率與氣凝膠包膜密度的關係圖。（c）焦耳熱效率與氣凝膠導熱率之間的線性關係。
熱氣凝膠電導率的差異對於調整納米碳氣凝膠在其他與加熱相關的應用中的功能性能也很重要。例如，研究了rET-CNT氣凝膠和rIT-CNT氣凝膠作為用於太陽能蒸汽發電應用的太陽熱轉換材料（STCM）。rET-CNT和rIT-CNT氣凝膠具有出色的STCM特性。兩種氣凝膠在整個太陽光譜中均表現出高效的吸光度（200至2000 nm之間的吸光度超過94％），從而確保了很高的太陽熱轉換效率（圖4a）。如上所述，它們表現出明顯不同的熱導率（rET-CNT氣凝膠的熱導率高60％）。為了評估這種差異對太陽能加熱的影響，將圓柱形的rET-CNT和rIT-CNT氣凝膠放置在玻璃表面上，並通過頂部的光輻射進行加熱（一個太陽模擬器，見圖4b）。
圖4.（a）rIT-CNT氣凝膠和rET-CNT氣凝膠的太陽吸收。（b）在一次太陽照射下（從頂部照亮的氣凝膠），從氣凝膠的頂表面到氣凝膠的中間表面的太陽熱加熱溫度下降。（c）使用rCNT氣凝膠膜在儲水罐上進行太陽能蒸汽產生實驗。（d）在一次陽光照射下，rET-CNT和rIT-CNT氣凝膠的太陽蒸汽產生性能：純水，含rIT-CNT氣凝膠的水和水隨時間的水量變化（歸一化到水庫的表面積） 使用rET-CNT氣凝膠（插圖顯示了儲水罐頂部氣凝膠膜的數碼照片）。（e）在一次陽光照射下不同納米碳基太陽能蒸發器的太陽能蒸汽水蒸發速率。
對於太陽蒸汽蒸發實驗，氣凝膠膜浮在儲水罐上，從頂部照射，然後通過計算機控制的天平監控由於水蒸發而導致的重量損失（圖4c）。在一次陽光照射下對水蒸發進行監測表明，rIT-CNT氣凝膠在水蒸發率為0.78 kg·m-2·h-1的情況下確實表現出最佳的太陽能蒸汽產生性能，即，水蒸發效率比水蒸發效率高30％。rET-CNT氣凝膠比純水高三倍（圖4d）。
參考文獻：
10.1021/acs.chemmater.0c04166
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