光熱膜材料在太陽光譜范圍內(nèi)應(yīng)具有良好的吸光性，可最大限度吸收太陽光；具有粗糙的多孔表面，可降低對光的漫反射率和損耗，使膜表面能吸收到更多的太陽光；在光熱膜下層設(shè)計良好的隔熱層，可降低熱量傳遞，減少能量損失。

由太陽能驅(qū)動，通過光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生水蒸氣是一種高效、新興的太陽能利用方式，在海水淡化、污水治理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但太陽能在到達地球后，能量密度小又不連續(xù)，是低品位熱源。將太陽能進行富集，轉(zhuǎn)換成高品位熱能，就需要利用光熱材料與光熱器件。而目前最具潛力的光熱材料形式之一，就是光熱膜材料。

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什么是光熱膜材料？光熱膜材料通常具備哪些特點？除海水淡化外，光熱膜還能應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？帶著這些問題記者采訪了相關(guān)專家。

光熱膜材料是太陽能驅(qū)動水蒸發(fā)技術(shù)的核心

由于水對太陽能的吸收率低，在自然蒸發(fā)條件下，太陽能利用率低，蒸發(fā)速度比較慢。湖北大學材料科學與工程學院院長王賢保說，普通的太陽能光熱轉(zhuǎn)換采用的是太陽能集熱管，像太陽能熱水器對太陽光熱的利用效能只有20%。

光熱膜材料被認為是一種吸收太陽能并能將其高效轉(zhuǎn)換為熱能的膜材料，它是太陽能驅(qū)動水蒸發(fā)技術(shù)的核心。但是在通過光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生水蒸氣的過程中，部分光熱能量會不可避免地散失在空氣、水等周圍低溫的環(huán)境中。

中國科學院青島生物能源與過程研究所副所長江河清研究員說，光熱膜材料在太陽光譜范圍內(nèi)應(yīng)具有良好的吸光性，可最大限度吸收太陽光；具有粗糙的多孔表面，可降低對光的漫反射率和損耗，使膜表面能吸收到更多的太陽光；在光熱膜下層設(shè)計良好的隔熱層，可降低熱量傳遞，減少能量損失。光熱膜材料還應(yīng)具有良好的水傳輸性能，比如具有豐富的親水互連孔隙結(jié)構(gòu)等，以保證水蒸發(fā)過程中水輸送供應(yīng)的順暢。

常見的光熱膜材料大致可分為無機材料、有機材料兩類，無機材料主要包括金屬納米材料，如貴金屬納米顆粒、無機半導體材料、碳基材料；有機材料則包括有機小分子化合物及聚合物材料，如聚吡咯等。

“把無機或有機的光熱材料，經(jīng)過共混紡絲、表面涂敷、原位改性、材料組裝等工藝環(huán)節(jié)處理后，就能制備成具有多孔結(jié)構(gòu)的光熱膜。”中國科學院青島生物能源與過程研究所副研究員宋向菊說，在水蒸發(fā)過程中，料液中的水經(jīng)光熱膜孔道的毛細管作用，傳輸?shù)侥け砻?，處于膜表面的水吸收熱量形成水蒸氣，?jīng)冷凝后便可以獲得純凈的淡水。

為提升性能優(yōu)化材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計

當前，光熱膜材料在實際應(yīng)用中，還存在能量損失、成本高、穩(wěn)定性不足等諸多瓶頸與問題。比如光熱膜材料在光熱轉(zhuǎn)換過程中會出現(xiàn)熱傳導和熱輻射等情況，導致部分能量損失；某些光熱膜材料在高溫和強光照射下，可能會出現(xiàn)腐蝕或降解，從而影響材料的長期穩(wěn)定性和壽命。在海水淡化應(yīng)用中，還存在鹽析現(xiàn)象，也就是說，海水蒸發(fā)獲得淡水的同時，凝結(jié)出的鹽會吸附在光熱膜表面，降低了膜對光的吸收、熱轉(zhuǎn)化的效率，從而降低了光熱膜材料的水蒸發(fā)性能。

為此，科研人員在光熱材料選擇及膜結(jié)構(gòu)設(shè)計上付出了諸多努力。比如為降低能量損失、提高光熱轉(zhuǎn)化效率，在膜下表面設(shè)計隔熱層，同時對光熱膜材料表面微結(jié)構(gòu)，即表面親疏水性、粗糙度等進行調(diào)控，一方面減少熱量向水體傳遞，另一方面提高光的吸收率；此外，通過在膜表面構(gòu)筑涂層或調(diào)控膜結(jié)構(gòu)，顯著提高了光熱膜材料的穩(wěn)定性。

近年來，江河清帶領(lǐng)研究團隊在改善光熱膜的水蒸發(fā)性能方面開展了大量科研工作。比如在太陽光驅(qū)動水蒸發(fā)過程中，水體中的藻類、有機物會在光熱膜中富集生長，造成膜污染，導致膜材料性能下降。團隊為此設(shè)計開發(fā)了具有催化和光熱特性的鈣鈦礦光熱膜，通過高溫催化降解污染物等，實現(xiàn)了光熱膜的循環(huán)再生，延長了光熱膜材料的壽命。此外，團隊還開發(fā)了中空纖維陣列光熱膜，可多角度吸收太陽能，顯著提高了太陽光利用效率，提升了水蒸發(fā)性能；設(shè)計了具有不對稱結(jié)構(gòu)的Janus光熱膜，利用光熱膜下層的親水特性，促進水向膜表面?zhèn)鬏?，同時利用光熱膜表面疏水性，控制表面水的分布，從而控制隨水傳輸?shù)柠}離子在膜邊緣結(jié)晶、析出，不但解決了鹽析問題，而且實現(xiàn)了鹽的收集。

國內(nèi)多家科研單位也在進行光熱膜材料創(chuàng)新工作。比如中國科學院深圳先進技術(shù)研究院研究員喻學鋒課題組以天然玄武巖為原料，設(shè)計制備出較為便宜、穩(wěn)定且耐腐蝕的玄武巖纖維光熱膜，在紫外線和近紅外光譜范圍內(nèi)，該光熱膜顯示出廣泛的吸收性。王賢保團隊將石墨烯氣溶膠制備成一張“薄膜”，可隨波漂浮在水面上。“這種石墨烯膜材料的光熱轉(zhuǎn)換效率高達94%，而傳統(tǒng)商業(yè)光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率僅有10%—20%。”王賢保說。

在清潔能源和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域頗具潛力

除海水淡化外，光熱膜材料在污水處理、空氣加熱和凈化、光催化等多個領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。比如將光熱膜與超濾、納濾、反滲透等傳統(tǒng)分離技術(shù)耦合，可開發(fā)出新型膜分離技術(shù)，利用太陽能對原料水進行加熱，降低水的黏度，促使水快速通過膜，從而實現(xiàn)水與有機物/鹽的有效分離，并降低能耗。

“我們團隊將光熱材料引入聚合物分離膜，開發(fā)了兼具光熱和分離功能的復合膜，將其應(yīng)用于水和染料的分離，顯著提升了水的滲透通量，并降低了能耗，表明其在染料廢水處理中具有較好的應(yīng)用潛力。”江河清說。

與光熱膜處理污水的技術(shù)原理相似，光熱膜還可處理空氣中的污染物。江河清研究團隊已開發(fā)出兼具光熱和分離特性光熱膜，將其應(yīng)用到空氣凈化領(lǐng)域，能有效去除細顆粒物（PM_2.5），同時提升室內(nèi)溫度，達到提高生活品質(zhì)的效果。

光熱膜還可應(yīng)用在光催化、能量存儲、工業(yè)加熱等領(lǐng)域。比如利用光熱膜材料的光熱轉(zhuǎn)化能力，促進熱解和催化反應(yīng)，可制備出高價值化學品；在電催化領(lǐng)域，利用光熱膜可實現(xiàn)高效電解水制氫等。

宋向菊表示，光熱膜材料的產(chǎn)業(yè)化還在不斷發(fā)展中，盡管一些先進的光熱膜材料已在實驗室中取得了良好效果，但要將其商業(yè)化并廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，還需要突破技術(shù)和經(jīng)濟上的瓶頸，以確保光熱膜材料的可持續(xù)性和可靠性。

光熱膜材料在可再生能源領(lǐng)域具有巨大的潛力，其發(fā)展方向?qū)⒅饕性诓牧闲阅軆?yōu)化、多功能性應(yīng)用、成本降低等方面。比如通過優(yōu)化光熱膜結(jié)構(gòu)和組成、引入新的納米材料，提高光熱性能，以適應(yīng)不同領(lǐng)域的需求；根據(jù)光照強度和角度，開發(fā)自適應(yīng)追光的智能光熱膜材料等。“隨著科技的進步，光熱膜材料將在多個領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用，為清潔能源和可持續(xù)發(fā)展作出新貢獻。”江河清說。

（本報記者宋迎迎對此次采訪亦有貢獻）

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