利用激光诱导石墨烯实现高效太阳能界面蒸发

陈雪梅，王彤，高玉箔，彭鼎程，罗雨婷

（南京理工大学能源与动力工程学院，江苏 南京 210094）

引 言

随着人口的迅速增长和水污染趋于严峻，淡水资源短缺问题日益严重。由于海水资源丰富，因此从海水中提取淡水被认为是能够增加淡水总量，进而从根源上缓解淡水资源短缺危机的方法。传统的海水淡化技术主要可以分为热法和膜法[1]。这两种技术都依靠化石能源驱动，会加剧能源危机和温室效应[2-4]。太阳能界面蒸发海水淡化技术由于能够高效利用清洁且可再生的太阳能而受到广泛的关注[5-7]。高效太阳能界面蒸发的实现取决于包括光吸收体在内的太阳能蒸发器的构建。随着研究的不断开展，人们发现传统的太阳能界面蒸发具有以下问题：（1）构建的蒸发系统与水体的直接接触，造成不可避免的热传导损失；（2）光吸收体的光吸收性能较差，未能充分利用太阳能。为了进一步提高太阳能界面蒸发的光热转化效率，降低吸收体对水体的热传导，Ghasemi 等[8]提出了一种热局域化双层结构系统，通过在蒸发界面和水体之间增添隔热装置将太阳能转化的热量定位到蒸发区，大大提高了能量利用率，减少了不必要的热损失。同时这种热局域化双层结构系统可以漂浮在海面上进行海水淡化。为有效解决光吸收体光吸收损耗的问题，一系列新材料和新结构被提出。目前用作光吸收体的材料主要可以分为四大类：等离子体纳米颗粒[9-10]、过渡金属氧化物[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]，由于具有宽谱太阳光吸收能力、高的吸光率、优异的光热转化能力，以及良好的稳定性而被广泛应用[18]。然而，传统的石墨烯制备方法如氧化还原法[19]、机械剥离法[20]、化学气相沉积法[21]等都需要严格的高温或高压环境，并且通常伴随着复杂的化学反应过程，会造成一定的环境污染。2014年，Lin等[22]首次发现可以在商业聚酰亚胺薄膜上通过CO2激光烧蚀一步生成石墨烯，即激光诱导石墨烯（LIG），并指出其在储能领域具有潜在的应用前景。随后，越来越多的材料，包括聚合物基板[23]，植物[24-25]、纺织物[26-27]等可生物降解和天然存在的材料和食品都被发现可在一定的环境氛围和特定的激光功率作用下生成石墨烯。相比于传统的石墨烯制备技术，LIG 技术具有操作简单、成本低、环境友好以及同样适用于大规模制备等优点。目前，基于LIG 技术，已经开发出了多种设备，包括传感器[28]、超级电容器[29]和纳米发电机[30]等。

本文拟使用LIG 技术制备光热膜用于实现持续高效的太阳能界面蒸发。以商业隔热软木板（ICB板）为基底，在其表面通过激光诱导生成石墨烯，得到以ICB 板为基底的石墨烯膜（ICB-LIG 膜）；分别以聚苯乙烯泡沫和无尘纸作为隔热材料和供水通道，构筑完整的太阳能蒸发器。对ICB-LIG 膜的结构特征和元素组成等性能进行表征，并搭建实验装置对该太阳能蒸发器的蒸发性能、耐久性以及海水淡化性能进行探究。

1 实验材料及方法

1.1 主要材料及仪器

氯化钠（NaCl），分析纯，上海迈瑞尔化学技术有限公司；发泡聚苯乙烯泡沫（EPS），武义县白洋超前包装耗材厂；ICB 板，嘉兴拉菲新材料科技有限公司；激光雕刻机（PLS6MW），美国优利激光公司；红外热像仪（A615），FLIR 公司；氙灯光源（CELS500），带有滤镜元件AM1.5，北京中教金源科技有限公司；热电偶（KQXL-N05），OMEGA 公司；电子天平（JJ224BC）；无尘纸。如无特殊说明，实验全过程中均使用由上海和泰仪器有限公司提供的纯水机生产的纯水，以确保实验的准确性。

1.2 太阳能蒸发器的设计与制备

1.2.1 ICB-LIG 膜的制备 本实验所制备的 ICBLIG 膜的规格为一个直径35 mm 的圆。首先在CorelDRAW 软件中画一个直径为35 mm 的圆，然后输入到激光烧蚀系统中对ICB 板进行烧蚀。实验发现，当激光功率过高或速度过慢时，光斑直径增大且激光束作用时间长，ICB 板会被过度烧蚀，最终得到的ICB-LIG膜孔隙结构较大，透光性较强，光吸收率较低；而若激光功率过低或速度过快，光斑直径小且激光束作用时间短，不利于石墨烯的形成。因此，本实验中采用的激光烧蚀参数为：激光波长10.6 μm，功率5.6 W，速度0.112 m·s-1，像素密度4，扫描模式为光栅模式。上述参数的确定是反复尝试得到的最合适的结果。最后，将激光烧蚀所得的ICB-LIG 膜浸入纯水中静置10 min，以排空其中气泡，然后取出晾干，以用于后续实验。

1.2.2 隔热供水结构的设计与制备 在本实验中，将EPS 泡沫（热导率：0.04 W·m-1·K-1）和无尘纸分别作为隔热材料和供水通道交替包裹起来组成隔热供水结构，置于光热膜与水体之间。隔热供水结构的具体制备过程如图1所示。首先利用激光烧蚀技术将EPS 泡沫切割成外径分别为10、25、35 和38 mm 的同心圆[图1（a）]。然后在其外缘分别缠上无尘纸（厚度0.66 mm，高度20 mm），按照图1（a）箭头所示方向层层组装起来，得到如图1（c）所示的隔热供水结构。

图1 隔热供水结构Fig.1 Insulated water supply structure

1.3 材料的表征

利用扫描电子显微镜（Gemini SEM 500）观察ICB 板和ICB-LIG 膜的表面形貌；利用拉曼光谱仪（HORIBA EVOLUTION）得到ICB 板和ICB-LIG 膜拉曼光谱；利用X 射线光电子能谱仪（Thermo ESCALAB250Ⅺ）和X 射线衍射分析仪（BrukerD8）分析ICB 板及ICB-LIG 膜的元素组成；利用紫外-可见光-近红外分光光度计得到ICB-LIG 膜光吸收率（A,%）；利用孔径分析仪(AutoPore Ⅳ 9500 Ⅴ1.09)测定ICB-LIG膜的孔隙率及孔径分布。

1.4 太阳能驱动界面水蒸发实验装置及研究方法

为了对上述设计并制备的太阳能蒸发器（图2）的蒸发性能进行测试，搭建了如图3 所示的实验装置。太阳能蒸发器被放置在一个盛满溶液的亚克力容器中，容器的外缘均匀缠绕有橡胶和黑色塑料绝缘棉，以减少与环境的热交换。太阳能蒸发器从上至下依次为：直径35 mm的ICB-LIG 膜，用以吸收光能，并转化为热能驱动界面水蒸发；直径同为35 mm 的亲水性无尘纸，吸收供水通道输送上来的水分，并将其均匀地提供给ICB-LIG 膜；由EPS和无尘纸层层组装得到的隔热供水结构，用于避免水体与ICB-LIG 膜直接接触，减少热损失，同时提供充足的水分。除此之外，实验系统中还包括用于测量水体温度的直径为0.5 mm 的热电偶和用于测量ICBLIG 膜表面温度的红外热成像仪，以及质量测量装置（电子天平），用以测量蒸发系统的质量变化，并由此计算得到蒸发速率。

图2 太阳能蒸发器示意图Fig.2 Schematic diagram of solar evaporator

图3 太阳能界面蒸发实验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of solar interfacial evaporation experimental device

蒸发速率的计算采用式（1）：

其中，Δm是由于水的蒸发而引起的系统的质量变化，kg；S是光热膜的蒸发面积，m2；Δt是光照时间，h。值得一提的是，蒸发是一个自然的过程，即使在没有光照的条件下，由于环境影响，蒸发过程也在缓慢地进行（暗场蒸发）。为了排除环境对样品蒸发速率的影响，本文在所有测得的蒸发速率上均减去了暗场蒸发。

光热转化效率的计算采用式（2）：

其中，Copt是光学浓度；q0是一个太阳的标准光强，sun(1 sun=1 kW·m-2）；hLV表示水在变为水蒸气的过程中的总焓变，kJ·kg-1，包括由于水的温度升高引起的显焓的变化，以及液-气相变吸收的潜热，其具体计算可参考式（3）:

其中，λ是水从液态变为同温度下的气态的相变潜热，通常取2257 kJ·kg-1；C是水的比热容，为4.2 kJ·kg-1·K-1；T1是红外相机测得的膜表面的平均温度，也是膜表面孔隙内的水的温度；T2是热电偶测得的容器底部块状水的温度。

2 实验结果与讨论

2.1 ICB板及ICB-LIG膜的结构表征

从图4（a） ICB 板的表面形貌可以看出，ICB 板本身具有均匀分布且轮廓分明的内部孔隙，其孔径约为24 μm。图4（b）和（c）是ICB-LIG 膜在不同放大倍数下的表面形貌图。由图4（b）可知，激光烧蚀后ICB 板表面会出现明显的激光划痕，表面粗糙度明显增大，相比于光滑表面结构，其有效蒸发面积更大，因此更有利于水的蒸发以及实现对入射光的多次反射和吸收。在更高的放大倍数[图4（c）]下可以看到ICB-LIG 膜也具有许多孔隙，孔径分布从微米到纳米不等，为水的扩散和蒸汽的逸出提供了充分的通道。从图4（d）可以看出ICB-LIG 膜有明显的分层结构，其中上层结构较为松散，为激光烧蚀产物，下层结构排列紧密，为ICB 板，内部孔隙较大的ICB 板能够更好地吸收和储存水分，同时支撑起上层疏松多孔的激光烧蚀产物，保证了膜结构的稳定性，延长了使用寿命。另外，图5显示ICB- LIG膜具有良好的柔韧性，可以承受大幅度弯折。

图4 ICB板及ICB-LIG膜的SEM图像Fig.4 SEM images of ICB plate and ICB-LIG membrane

图5 ICB-LIG膜的柔韧性及可弯曲能力Fig.5 Flexibility and bendability of the ICB-LIG membrane

石墨烯结构通常利用拉曼光谱进行分析。图6（a）拉曼光谱显示ICB-LIG 膜有明显的D 峰、G 峰和2D 峰，其中D 峰位于1350 cm-1附近，涉及一个缺陷散射的双共振拉曼过程，常被用来评估石墨烯的缺陷程度和杂质含量[31]。G 峰位于1578 cm-1附近，是石墨烯的主要特征峰，由sp2碳原子的面内振动引起。2D峰位于2700 cm-1附近，与石墨烯电子能带结构密切相关[32]。D 峰与G 峰的强度比通常被用作表征石墨烯缺陷密度的重要参数，ID/IG越小，说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值约为0.92（采用氧化还原法制备的石墨烯ID/IG比值一般在0.8～1.5之间[34]），表明激光烧蚀得到的ICB-LIG 膜石墨化程度较高。XRD 光谱[图6（b）]显示ICB-LIG 膜有一个10°～30°的宽峰，这是由六边形结构碳的002 平面引起的。全扫描XPS光谱[图6（c）]显示ICB 板和ICB-LIG 膜均有明显的C 1s和O 1s峰，而N 1s峰并不明显，推测N元素在二者中的含量非常少。为了获取更多的信息，收集了C、N、O 元素的高分辨率XPS 数据，并对结果进行了分峰处理，得到的结果如图6（d）～（f）所示。从C 1s的XPS 光谱中可以看到，激光烧蚀后C O 峰消失，C—O峰的相对强度大幅度降低，而C—C峰的相对强度明显上升；在O 1s 的XPS 光谱中，激光烧蚀后吸附O 峰的相对强度增大，晶格O 峰的相对强度降低。在ICB 板和ICB-LIG 膜中，C 元素的占比分别为75.00%和84.63%，O 元素的占比分别为23.01%和13.73%，而N 元素的占比则仅为1.99%和1.65%，含量极少。这说明激光烧蚀后ICB 板被较大幅度地炭化。

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

为确定ICB 板及ICB-LIG 膜是否具有优异的光吸收性能，利用紫外-可见光-近红外分光光度计对其在太阳光谱范围内（300～2500 nm）的透过率（T，%）和反射率（R，%）进行了测量，并通过公式A=1-T-R计算得到了材料的光吸收率。从图7 可以看出，ICB-LIG 膜的光吸收率（95.56%）远远高于ICB板（约31.81%），这是因为激光诱导生成的石墨烯本身就具有很高的光吸收能力，而且ICB-LIG 膜表面的粗糙结构可以作为光陷阱，使光子在材料内部发生多次反射与吸收，进而增强材料的光吸收能力[35]。

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

高效的光热转化效率是水蒸气产生的关键条件之一。为方便比较未经烧蚀的ICB 板和激光烧蚀后形成的ICB-LIG 膜的光热转化能力，采用与1.2.1节中相同的参数在ICB 板表面烧蚀出“NJUST”的字样。将烧蚀好的ICB 板置于1 倍太阳光强下的氙灯光源下，利用红外热成像仪观察记录ICB 板上各处的温度变化，得到如图8 所示的结果。将氙灯光源打开的瞬间作为初始时刻，记作0 s，可以看出，随着照射时间的增加，ICB 板各处的温度不断升高。0 s时激光烧蚀部分（“NJUST”字样）的温度为28.3℃，3 s 时温度上升到40.5℃，30 s 时温度达到56.7℃，60 s时温度达到61.2℃，整个过程中的温升为32.9℃，而ICB 板上未经烧蚀的部分在上述四个时刻温度分别为27.3、35.6、43.7、45.2℃，整 个 过 程 中 温 升 为17.9℃，约为烧蚀部分温升的一半。由此可见，激光烧蚀后的ICB 板具有更高的光热转化能力，能够迅速地对光进行响应并将其转化为热能。这里需要说明的一点是，由ICB 板上未经烧蚀的部分吸收光能而转化为热能产生的温升是要小于17.9℃的，这是因为，在这项测试中，该部分的温升除了来源于自身光热响应外，还有部分来源于材料内部的热传导（热量从温度较高的烧蚀部分传导到温度较低的未烧蚀部分）。

图8 带有激光烧蚀字母“NJUST”的ICB板在1倍太阳光强照射下的红外温度图Fig.8 Infrared temperature map of ICB plate with laser-etched letter “NJUST” under 1 sun illumination

2.2 ICB板及ICB-LIG膜的蒸发性能测试

2.2.1 质量分数3.5%的NaCl 溶液中ICB 板与ICBLIG 膜的蒸发性能 高效的光吸收和快速的光热响应能力必然会赋予ICB-LIG 膜优异的蒸发性能。为了验证这一点，分别将以ICB 板和ICB-LIG 膜为光热膜的蒸发器放入3.5%（质量）的NaCl 溶液中，在1倍太阳光强下照射70 min，通过电子天平记录实验过程中由水的蒸发引起的系统质量随时间的变化（图9），并计算得到蒸发速率和光热转化效率。结果显示，以ICB-LIG 膜为光热膜的蒸发器的质量变化速率要明显高于以ICB 板为光热膜的蒸发器。取10～70 min 稳定的数据做计算，可以得出，ICB 板的蒸 发 速 率 为1.05 kg·m-2·h-1，光 热 转 化 效 率 为67.95%；ICB-LIG 膜的蒸发速率为1.47 kg·m-2·h-1，光热转化效率为86.04%。显然，ICB-LIG 膜具有比ICB 板更好的蒸发性能。这是由于激光烧蚀后ICB板表面形成的粗糙多孔结构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扩散和蒸汽的逃逸[35]。

图9 1倍太阳光强下3.5%（质量）的NaCl溶液中ICB板和ICB-LIG膜蒸发系统的质量变化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 不同溶液浓度下ICB-LIG膜的蒸发性能 为了探究ICB-LIG 膜的实用性和持久性，分别测定并计算在1 倍太阳光强下，5 种不同质量分数的NaCl溶液（0、3.5%、10%、15%、20%）中ICB-LIG 膜的蒸发速率和光热转化效率，得到如图10 所示的结果。当NaCl 溶液的质量分数从0 增加到20%时，蒸发速率由1.36 kg·m-2·h-1降至1.16 kg·m-2·h-1，光热转化效率由87.85%降至75.26%。较为明显的蒸发性能的下降一方面是因为随着盐浓度的增加，无尘纸中的毛细吸力所需要克服的盐离子与水分子之间的相互作用力增大，将水从底部运输至上层光热膜就越困难；另一方面则可能是因为初始盐浓度越高的蒸发系统，其容器内部盐溶液更容易达到饱和浓度，从而导致盐结晶，阻碍了水输送和蒸汽的溢出。

图10 1倍太阳光强下不同质量分数的NaCl溶液（0、3.5%、10%、15%、20%）中ICB-LIG膜的蒸发速率和光热转化效率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 不同光强下ICB-LIG膜的蒸发性能 考虑到实际应用过程中不同时间、不同地区的太阳光强度并不相同，还探究了不同光强下（0.6、1、2、3 sun）ICB-LIG 膜的蒸发性能。实验中采用3.5%（质量）的NaCl 溶液作为模拟海水，得到图11 所示的结果。从图11（a）可以看出，相同时间内，随着光强的增大，基于ICB-LIG膜的蒸发器的质量变化越明显，且质量变化速率与光照强度成正相关。图11（b）显示了蒸发速率和光热转化效率随光照强度的变化，在0.6、1、2、3 sun 时，基于ICB-LIG 膜的蒸发器的蒸发速率分别是0.83、1.33、2.55、3.60 kg·m-2·h-1，其对应的光热转化效率则分别为88.42%、86.06%、83.78%、79.54%。随着光强的增大，蒸发速率迅速增大，但是其对应的光热转化效率却越来越小。这是因为，随着光照强度的增加，光热膜的表面温度迅速升高，而环境温度基本保持恒定，因此光热膜与环境的温差加大，直接加剧了蒸发系统向环境的散热，由此造成光热转化效率下降[36]。由图11（c）可知，在某一特定光照强度下，ICB-LIG 膜的表面温度会在短时间内迅速上升，继而保持平稳，说明此时ICBLIG 膜吸收的热量等于释放的热量，蒸发过程达到稳定的状态；而且光照越强，ICB-LIG 膜稳定时的表面温度越高，这也直接验证了随着光强的增大，膜的温度升高导致了光热转化效率下降。图11（d）显示，在1 倍太阳光强下，膜表面的平均温度是44.86℃，而底部的平均水温则仅为26.62℃，表明由ICB-LIG 膜、EPS 以及无尘纸组成的太阳能蒸发器具有优异的热局域能力。

图11 不同光强下3.5%（质量） NaCl溶液中蒸发系统的各项数据变化以及1倍光强下膜温与水温随时间的变化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 耐久性循环测试 为了测试ICB-LIG膜能否在长时间的反复使用与洗涤过程中保持稳定，设计了为期7 天的循环实验。实验循环共7 次，每次都在同一时间段进行，且蒸发器均以同一个ICB-LIG膜为光热膜，将太阳能蒸发器放置在3.5%（质量）的NaCl溶液中，置于1倍太阳光强下持续照射70 min，并记录系统质量随时间的变化。实验结束后，利用纯水清洗膜表面，处理干净后晾干备用。最后一次循环结束后，对光热膜的光吸收率进行了测试，并与图7 的数据进行比对。结果表明，7 次循环测试后，光热膜对近红外段的光吸收性能略有下降，但仍然保持在较高的水平，始终维持在92%以上[图12（a）]；ICB-LIG 膜的蒸发速率下降幅度较小，仅为3.0%，但其光热转化效率一直维持在84%以上，没有明显的下降[图12（b）]。在7 次循环实验中，蒸发速率和光热转化效率总体呈现先下降后上升的趋势。这是因为随着循环进程的进行，ICB-LIG 膜表面可能出现轻微破损，导致孔径增大，进而有利于蒸汽的溢出，导致膜蒸发性能的提升；若孔径持续增大，ICB-LIG 膜表面结构将会遭到破坏，其蒸发性能可能会急剧降低。因此为了验证该猜想，循环测试后，观察了样品的表面形貌（图13），从低放大倍数的SEM 图[图13(a)]中可以看出，循环测试后样品表面已经没有肉眼可见的激光划痕，ICB-LIG 表面结构受到了轻微损坏，造成其光吸收率会有所下降。但从高放大倍数的SEM 图[图13(b)]中可以看出，ICB-LIG 膜表面仍具有大量内部孔隙，有利于水的扩散和蒸汽的逸出，因此蒸发速率和光热转化效率并没有出现大幅度的变化。因此，基于ICB-LIG膜的太阳能蒸发器具有良好的蒸发性能和耐久性。

图12 循环测试前后ICB-LIG膜的吸光率和蒸发性能Fig.12 The comparison of absorbance and evaporative properties of ICB-LIG membrane before and after cycle

图13 循环测试后ICB-LIG膜的表面SEM图Fig.13 SEM images of ICB-LIG membrane after cycle

2.2.5 不同数量供水通道下ICB-LIG膜的蒸发性能及耐盐性能 （1）不同数量供水通道下膜的蒸发性能。前述实验中，一致采用的是具有三层供水通道的隔热供水结构[图14（a）插图]，供水通道由外到内依次标为a、b、c。将具有c 单层供水通道的太阳能蒸发器称为装置1；具有b、c两层供水通道的太阳能蒸发器称为装置2；具有a、b、c三层供水通道的太阳能蒸发器称为装置3。实验过程中，分别将3个装置置于3.5%（质量）的NaCl溶液中，测试其在1 倍太阳光强下的蒸发性能。结果如图14（a）所示，随着供水通道数的减小，对应的装置3、2、1 的光热转化效率分别为86.0%、86.6%和90.1%，而蒸发速率则分别为1.33、1.33、1.40 kg·m-2·h-1。其中，当只采用b、c供水通道时，蒸发速率及光热转化效率与三层供水通道相比，变化均不明显，表明原先三层供水通路对顶层光热膜的供水量远大于其需水量，因此当供水通道数减少一层时其蒸发性能变化并不明显。当只采用c 供水通道时，蒸发器的蒸发速率及效率都有明显的提升，这是因为具有单层水输送通道的隔热供水结构，其供水量明显减少，致使用于加热多余水的热量减少，即光热膜产生的热量用于显热的部分减少，因此水蒸气的产生速率和蒸发器的光热转化效率明显增大。为了近一步探究光热膜产热去向的变化，对三个装置的膜温进行了测量，如图14(b)所示，随着通道数减少，膜温升高，这表明光热膜产热用于显热部分减少的热量多用于提高自身温度，所以蒸发速率和光热转化效率显著增强。实验表明，具有单层供水通道的太阳能蒸发器具有较为优异的蒸发性能，但在实际应用中，还需综合考虑多方面因素，如蒸发系统的耐盐性能等。

图14 1倍太阳光照下3.5%（质量）NaCl溶液中不同供水通道数下ICB-LIG膜的蒸发性能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）不同数量供水通道下膜的耐盐性能。盐沉积是太阳能界面蒸发过程中的常见伴随物。在连续工作条件下，析出的盐会在蒸发界面处积聚，极易造成孔道的堵塞和光吸收率的下降，从而导致蒸发效率降低[37-38]。在实际使用过程中，蒸发器需要在白天连续工作，光热膜表面会积累一些盐结晶。夜晚不工作时，光热膜上的盐结晶会有部分溶解回海水里，减少结晶的积累，有利于第二天蒸发器正常工作。基于此现象，分别将0.5 g NaCl固体平铺在前文中提及的装置1、2、3 的光热膜表面，模拟白天工作后光热膜表面积累的盐结晶，然后观察其在无光照情况下的溶解情况（图15）。可以看出，具有一层（装置1）和两层（装置2）供水通道的蒸发器在180 min 内无法完全溶解，并且剩余有少量盐沉积。而具有三层供水通道（装置3）的蒸发器能够将结晶快速溶解，表明其具有较快的自我恢复能力，更适合长期连续使用。

图15 不同供水通道数下膜表面盐的溶解情况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 为了评估基于ICB-LIG 光热膜的太阳能蒸发器的海水淡化性能，选用了四种不同质量分数（3.5%、10%、15%、20%）的NaCl 溶液模拟海水。使用图16 所示的密闭容器进行水蒸气的产生和冷凝收集实验，然后采用电导率仪（型号：DDJ-308A）测量收集水的盐度并将其与测试前NaCl 溶液的浓度进行比较，得到图17 所示的结果。质量分数3.5%、10%、15%、20%的NaCl 溶液对应的盐度分别是23556、59479、80815、118958 mg·L-1，经过海水淡化后，其收集水的盐度则分别是2.87、3.78、1.21、1.72 mg·L-1，相较于淡化前低了4～5 个数量级。因此，基于ICB-LIG 光热膜的太阳能蒸发器具有良好的海水淡化性能。除此之外，淡化后所得水的盐度远低于世界卫生组织（WHO）规定的人类饮用水标准盐度。该结果表明，通过太阳能界面蒸发从海水中提取的淡水可以作为人类饮用水，这对于缓解淡水资源短缺危机具有重大的意义。

图16 水收集装置示意图Fig.16 Schematic diagram of the water collection device

图17 不同质量分数的NaCl溶液淡化前后的盐度[虚线代表WHO定义的饮用水标准盐度（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 结 论

利用激光烧蚀技术在ICB 板上生成了ICB-LIG光热复合膜，通过结构设计构建了高效的太阳能驱动界面蒸发装置，其具有优异的特性：在1倍太阳光强下，3.5%（质量）的NaCl溶液中能够实现高达1.33 kg·m-2·h-1的蒸发速率和86.0%的光热转化效率；稳定状态下ICB-LIG 膜表面温度约为44.86℃,高于底层水体的温度，证实其局域表面加热能力良好；循环测试和耐盐性能测试结果表明，ICB-LIG 膜具有良好的稳定性，具有三层供水通道的蒸发器能够迅速溶解盐结晶，具有较好的自我恢复能力。该蒸发器具有优异的海水淡化性能，淡化后的水符合WHO规定的饮用水盐度标准，可以作为饮用水供人类饮用。