改性埃洛石纳米管在光热转换中的应用探索

研究背景

随着全球能源短缺问题的日益严重，寻找可持续、环保的能源已成为当务之急。太阳能作为一种无尽的清洁能源，具有广泛性、可持续性和环境友好型。到目前为止，太阳能主要以光电转换、光化学转换和光热转换的形式利用。其中，光热转换是最简单的太阳能利用形式。如何有效的吸收太阳光并实现良好的光热转化，实现对能源的高效利用是目前的重要课题。

针对此问题，成都理工大学李小可课题组采用原位聚合法成功在埃洛石纳米管（HNTs）表面聚合了吡咯分子得到复合材料PPy@HNTs纳米颗粒。埃洛石纳米管是一种经济、环保、天然沉积的铝硅酸盐（Al 2Si 2O 5(OH) 4·nH 2O），是替代碳纳米管的一维纳米粒子，在亚微米范围内具有高长径比，以空心管结构为主，具有优异导热性能与吸附性能。使用吡咯在其表面原位聚合得到均匀黑色的壳结构聚吡咯（PPy），极大增强HNTs的光吸收性能。

将制得的PPy@HNTs纳米材料用于制备光热转化的传热流体（HTFs），具有高光热转换性能和良好的导热性，相关成果以“The PPy-coated halloysite nanotubes nanofluids with high stability and broad-spectrum absorption for effective photothermal conversion”为题，发表于《Solar Energy Materials and Solar Cells》（IF=6.9）。

以该材料为光吸收剂制备的界面光蒸发水凝胶具有高效蒸发性能和良好的锂吸附能力，可以在处理含盐废水的同时提取矿产资源，相关成果以“Realizing ef icient solar evaporation and rapid Lithium sorption by the Halloysite Nanotubes-based Hydrogel”为题，发表于《Journal of Cleaner Production》（IF=11.1）。

研究内容

本研究以过硫酸铵(APS)为氧化剂，将吡咯聚合在HNTs表面，通过原位聚合法制备了PPy@HNTs纳米材料。并将其用于传热流体和界面光蒸发水凝胶的制备。

以乙二醇及丙三醇的混合溶液作为基液，制得的PPy@HNTs纳米流体具有优异的分散稳定性和恰当的粘度。PPy@HNTs纳米流体的导热率（TC）较改性前有明显增强（图1），且中等浓度的PPy@HNTs纳米流体的TC随温度增大急剧增加，表现出良好的热传递性能。

图1. (a)基液和纳米流体的导热性;(b) TC增强率随温度的变化

PPy特殊的光热效应和光稳定性增强了纳米流体对入射光的吸收，降低了纳米流体的光谱透过率（图2）。与基液相比，800 ppm PPy@HNTs纳米流体的平均光谱透过率已从90.06%降至17.63%，而 1000 ppm PPy@HNTs纳米流体几乎达到了对入射光的全吸收，显示出卓越的光吸收能力。

图2. (a)基液和纳米流体的光谱透过率和(b)消光系数

PPy@HNTs纳米流体在模拟太阳光源照射3000s后的能量吸收如图3(a)所示。在800 ppm浓度下，PPy@HNTs纳米流体的能量吸收值达到峰值1140 J，约占入射总能量的80%。光热转换效率随浓度的变化趋势与其能量吸收值的变化趋势一致（图3(b)）。与基液相比，PPy@HNTs纳米流体光热转换效率的显著提高可归因于其高导热性和优异的光捕获能力。PPy是具有自由移动π-电子云体系的典型共轭聚合物，具有显著的光热转换性能。因此，相当一部分入射光可以被PPy吸收，并转化为热能。这种转换的热能随后被转移到高温热管，利用它们的高导热性来促进有效的能量转移。本研究为低成本纳米流体在光热转换领域的应用提供了新的途径。

图3. (a) 基液和纳米流体的太阳能吸收和(b)光热转换效率

以PPy@HNTs纳米颗粒为光吸收剂制备了太阳能水凝胶蒸发器，可实现高效太阳能蒸发和锂离子吸附。

图4.水凝胶蒸发吸附机理示意图

得益于PPy优异的光吸收性能，水凝胶可以有效地利用整个光谱中的太阳能，并通过分子热振动效应将其转化为热量。随着PPy@HNTs纳米颗粒添加量的增加，水凝胶的蒸发速率也随之增加，添加量最高的NPH3在一个太阳光强下可达2.97kg/(m 2·h)的蒸发速率。

图5. (a，b ) NPH在1和3个太阳作用下的水质量损失；(c, d) 1和3个太阳下水凝胶的蒸发速率和能量效率

采用0.8%、3.5%和25%三种不同盐度的合成海水样品，对NPH的太阳驱动蒸发性能进行了分析。结果表明即使在高盐环境中，NPH3也保持了出色的光蒸发能力和水处理能力，最高可达2.92 kg/(m 2·h)。脱盐后，三个样品的TDS显著降低了2-3个数量级（图6），分别为30、54和90 mg/L，远低于世界卫生组织(WHO, 1000 mg/L)和美国环境保护署(500 mg/L设定的饮用水标准。此外，还利用黄海的真实海水样品检测了NPH3的净化性能。结果显示，Ca 2+、K +、Mg 2+和Na +四种离子的浓度大幅降低，溶液中所有离子浓度均降至15 ppm以下，累积离子含量保持在31 ppm以下，表明NPH水凝胶在海水淡化领域值得进一步研究。

图6. NPH3的太阳能脱盐性能:(a)三种人工海水的TDS浓度，(b) NPH3处理前后海水中离子浓度的变化。

图7. Li+等温吸附模型；(b) Li吸附动力学模型；(c) Li+的分子内扩散模型；(d)循环后NPH3的吸附容量。

将水凝胶（NPH3）冻干后放在2000 ppm LiCl中用作吸附剂，之后通过吸附热力学拟合我们得出NPH3的最大吸附容量为179 mg/g，通过动力学拟合发现吸附在5 min后达到平衡，进行吸附循环发现重复5次后NPH3吸附效率仍有50.5%。之后我们在光蒸发的同时进行吸附，发现此时NPH3的吸附容量为168 mg/g，吸附效率可达84.15%。因此PPy@HNTs/PVA水凝胶能够在光蒸发的同时实现Li +吸附回收。

https://doi.org/10.1016/j.solmat.2024.112694

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.140523

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