纳米碳材料的光热转换性质及影响因素

2020-06-12北京市第三十五中学柳钰露杜春燕谢凌波

发明与创新 2020年18期

■北京市第三十五中学柳钰露肖飏杜春燕谢凌波

目前，应用最广泛的海水淡化技术主要局限于蒸馏淡化和反渗透膜技术，然而，两者都存在能源消耗大、设备维护成本高、产品价格昂贵等缺点，低耗能、低成本、环境友好型的海水淡化技术的需求与日俱增。

太阳能被看作是取之不尽、用之不竭的绿色能源，太阳光照导致的水蒸发提供了大气环境中90%的水汽，是生物圈中水循环极为重要的环节。人们可将太阳能转化为热能，促进海水的蒸发并收集蒸发产物，即可获得高品质、低价格的淡水资源。

光热转换产生水蒸气是一种高效的、全新的太阳能利用方式, 在污水处理等领域具有广泛的应用前景，而低成本、高效率的海水淡化方法还在进一步研究中。对此，美国阿贡国家实验室塞思·B·达林博士等研究者以中国“文房四宝”之一的“墨”为光热转换材料，对多孔材料进行表面沉积改性，使其用于膜蒸馏海水淡化。基于中国墨的涂层在近红外（NIR）及紫外（UV）区具有强吸收特性，其改性膜材料具有卓越的光热转化效率和水蒸发效率。

此外，这种墨涂层的强粘附性使其能在木材、纤维、塑料等各种多孔基底表面简便涂覆沉积，利于大规模工业化应用，但以碳材料作为光热转换材料的方法仍在完善，且未对碳材料的光热转换效率的影响因素有明确的机理上的认识。

一、碳材料存在光热转换机理

（一）能级跃迁释放能量

碳材料主要具有sp3和sp2杂化、π电子云，能级十分接近，带隙，可见光吸收范围较宽，光波中绝大部分的光子都被碳材料吸收，使其中的电子进行能级跃迁。而处于激发态的电子十分不稳定，大致可通过辐射跃迁、无辐射跃迁、传能和猝灭的方式使其回到基态、放出能量。

（二）黑色吸光特性

自然界的可见光照射到物体上，物体会反射其无法吸收的光波。黑色物体由于可吸收大量光波，所以看起来是黑色的。以此推测，碳材料由于部分材料呈黑色特性，对光的吸收会更彻底，从而能更有效地将光能转化为热能。

（三）光热转换效率

对于光热转换效率，由于温度能从宏观角度直接反映物质的吸、放热情况，且纳米流体在溶剂（水）中以超声波充分分散，本文直接采用公式（光热转换效率=温度改变量/时间）进行数据分析。

二、实验材料

水银温度计，液枪，超声波分散仪，40ml 烧杯，60ml 量筒，红外线烤灯，石墨烯溶胶，氧化石墨烯溶胶等。

三、实验方案

用绳子把水银温度计绑在铁架台上，将红外线烤灯放在合适位置。取出2 个40ml 烧杯，其中一杯盛20ml 清水。

计算所配溶液浓度需要的溶剂，用液枪把定量的溶剂射入另一个烧杯。每次使用液枪后都要在盛有清水的烧杯中不断摁压液枪尾部的活塞，以清除液枪管内残留的溶剂。

将两个烧杯中的溶液混合后倒入40ml 的容量瓶，将配置好的溶液放入超声波分散仪均匀分散后重新倒入40ml的烧杯。将烧杯放在铁架台上，调整烧杯和水银温度计的高度，使水银温度计的底部刚好没入溶液。打开红外线烤灯，待溶液温度上升至29℃时，开始计时，如图1。

图1

四、实验影响因素

本次实验的测量参数主要为温度（每分钟的变化），采用水银温度计测量，控制变量为溶液的体积、物质所占溶液的比例以及起始温度。

其中，溶液体积通过容量为60ml的量筒测量，接近40ml 时使用滴管，确保实验的溶液体积为40ml。物质所占溶液的比例用液枪精确控制（精度为0.001ml）。

为确保溶液在实验测量中的起始温度相同，若溶液温度低则用红外线烤灯照射至29℃后开始计时；若溶液温度高则等待其降至29℃以下，再用红外线烤灯加热至29℃后开始计时。

五、实验结果及分析

（一）氧化石墨烯溶胶的光热转换结果分析

我们配制了不同浓度的氧化石墨烯溶胶，测试了氧化石墨烯溶胶的温度随时间的变化。结果表明，浓度为5%与12.5%的氧化石墨烯溶胶加热10 分钟后，两者的最终温度十分相近，所以浓度对氧化石墨烯溶胶经红外线照射后的最终温度影响不大。

我们对氧化石墨烯溶胶进行了不同浓度下的粒径测试，结果表明，5%氧化石墨烯溶胶的粒径主要分布在2nm至4nm，平均粒径约为3.6nm；10%氧化石墨烯溶胶的粒径主要分布在2nm至4nm，平均粒径约为3.36nm。

所以，氧化石墨烯溶胶的粒径大小不会因浓度的变化而引起较大改变，这可能也是其光热转换效率变化不大的原因。

（二）石墨烯溶胶的光热转换效率实验结果分析

石墨烯溶胶的性质比氧化石墨烯溶胶的更稳定。为了解浓度对石墨烯溶胶光热转换效率的影响，我们配制了不同浓度的石墨烯溶胶，测试石墨烯溶胶的温度随时间的变化，发现石墨烯溶胶的浓度大小对其温度的变化影响较大。

我们还测试了不同浓度的石墨烯溶胶的吸光度，发现浓度为0.1%的石墨烯溶胶与浓度为0.2%的石墨烯溶胶吸光度的差值相对较大。说明石墨烯溶胶浓度越大，吸光能力越强。因此，在红外线的照射下，浓度高的石墨烯溶胶升温速率比浓度低的石墨烯溶胶升温速率高，效果更明显。

我们测试了石墨烯溶胶不同浓度下的粒径。结果表明，浓度为10%的石墨烯溶胶的粒径主要分布在8nm 至12nm，平均粒径为10.9nm；浓度为5%的石墨烯溶胶的粒径主要分布在5nm 至9nm，平均粒径为7.089nm。石墨烯溶胶的浓度变化对其平均粒径的影响较大，推测粒径变化是影响不同浓度石墨烯溶胶光热转换效率的根本原因。

（三）墨汁的光热转换效率实验结果分析

作为一种碳基材料，中国墨的光热转换效率明显高于铜、氧化铜纳米颗粒，甚至炭黑。

为了进一步比较中国墨与石墨烯类纳米碳材料的光热转换效率，我们配制了5%、10%、12.5%三种不同浓度的墨汁溶液，测试其温度随时间的变化。结果表明，在同样的时间内，12.5%的墨汁溶液的温度最高，可达52.2℃，墨汁溶液的浓度对其温度的变化影响较大。这是为什么？

我们测试了不同浓度的墨汁溶液的吸光度，发现浓度越大，吸光能力越强。因此，在红外线的照射下，墨汁溶液的浓度越高，升温越快。

墨汁的浓度是否影响其粒径大小，从而影响光热转换效率？我们对墨汁溶液进行了不同浓度下的粒径测试，发现浓度为5%的墨汁溶液粒径主要分布在39nm 至43nm，平均粒径为41.43nm；浓度为12.5%的墨汁溶液粒径主要分布在18nm 至20nm，平均粒径为19.01nm。可以发现，墨汁溶液的浓度变化对其平均粒径的影响较大。