第一作者：Fang Liu

通讯作者：Weidong Liang、李安

通讯单位：兰州理工大学

研究亮点：

1.作者利用溶剂热聚合法制备得到酚醛泡沫（PAFs）材料。该材料具有高的孔隙率、低的导热系数、超亲水性以及可压缩性，通过烟灰碳的表面改性（CPAFs）提高了材料的光吸收性能。基于以上这些特点，将CPAFs作为光热材料用于太阳能水蒸发并表现出优异的性能。

2.酚醛泡沫（PAFs）材料不仅具有孔结构可调、性能稳定的特点，并且其原料成本低、制备过程简单，是一类具有良好发展前景的光热材料。

太阳能驱动光热产汽-前沿海水淡化技术

随着工业的发展和人口的增加，严重的淡水资源短缺是制约现代社会可持续发展的瓶颈问题之一，对海水进行淡化处理是解决这一问题的有效途径。传统的海水淡化技术有多效蒸馏、多级闪蒸、反渗透膜法、电渗析法以及离子交换法等，但这些方法多具有技术投资较高、能源消耗过大等缺点，另一方面也带来了额外的环境污染问题。太阳能蒸发是一种利用绿色能源生产清洁水的技术，对缓解能源及淡水资源短缺问题有很大的帮助。界面加热技术的发展极大地提高了蒸汽转化效率，进一步推广了太阳能驱动光热产汽技术在实际中的应用。不同于传统的太阳能水蒸发，太阳能驱动光热产汽技术无需对整个水体加热，而是利用太阳能在水体与空气界面处对光热材料加热可以很大程度的提高光热转换效率。

太阳能驱动光热产汽材料

光热材料是太阳能驱动光热产汽发生的基础和关键。一般来说，用作于太阳能驱动光热产汽的材料的标准是具有良好的润湿性、开放的孔道结构、高的光吸收以及良好的隔热性能。近年来，为了获得高效的太阳能驱动光热产汽材料，人们做了大量的工作，包括金属纳米颗粒、碳基材料、生物质材料、复合材料以及有机聚合物材料等。但多的光热材料有其自身的缺点，例如热稳定性较差、制备工艺复杂、生产成本较高，限制了其在生产生活中的进一步应用。因此，开发新型高效、低成本的光热材料仍是今后的研究重点。

成果简介

针对目前太阳能驱动光热产汽材料研究存在的问题，兰州理工大学李安教授团队采用溶剂热聚合法，以相对低廉的普通化工原料为起始物，一步合成了一种具有弹性的酚醛聚合泡沫，经过炭黑沉积得到了双层结构的光热材料，并将其应用于太阳能驱动光热产汽实验。

图1.(a) PAFs的合成示意图；(b) PAF-1的数码照片；(c)PAF-1的SEM图；(d)PAF-2的数码照片；(e) PAF-2的SEM图；(f)PAF-1置于月季花上；(g) PAF-2置于月季花上；(h)PAF-1受压于500g；(i) PAF-2受压于500g。

要点1：酚醛泡沫（PAFs）材料的合成及表征

以苯酚、对苯二酚为反应单体，乙醇为溶剂，在盐酸的催化作用下，苯酚和对苯二酚分别与甲醛反应生产酚醛泡沫（PAFs）。PAFs由不同直径的聚合物小球所组成，具有表观密度低、机械性能好的特点。

由于PAFs的多孔网络结构，使得材料具有良好的机械强度和弹性形变能力。PAF-1和PAF-2由于单体及溶剂的不同，使得两种材料具有不同的孔性能，PAF-1是由直径约为8μm的大孔构成，而PAF-2主要由微孔和介孔构成，其平均孔径为3.4 nm。此外，由于材料表面的-OH及C-O等官能团的作用，使得水滴在0.15s内可以完全浸润材料表面，这有利于在太阳能水蒸发过程中水分子的快速传输。

图2.(a) PAF-1的应力应变曲线；(b) PAF-2的应力应变曲线；(c) PAF-1的孔径分布图；(d) PAF-2的孔径分布图；(e) PAF-1的润湿高速摄像图；(f) PAF-2的润湿高速摄像图。

要点2：CPAFs双层光热材料的制备及性能研究

为增强PAFs的光吸收能力，提高PAFs的能量转换效率，通过煤油灯“烟熏”的方式在PAFs的表面沉积一层烟灰碳，得到具有双层结构的光热材料CPAFs。CPAFs在200-2500nm处的平均光吸收率可达90%。将CPAFs作为光热材料用于太阳能水蒸发，上层炭黑具有较高光吸收，下层PAFs为超亲水多孔聚合物，一方面超亲水的多孔结构可以为水分子的传输提供通道，另一方面自身低的导热系数又可以减少热量的散失从而提高蒸发效率。

图3. (a) CPAFs的制备示意图；(b) CPAFs的光吸收曲线，插图：CPAFs的数码照片；(c) CPAFs太阳能光热产汽示意图。

要点3：CPAFs光热转换性能的研究

以CPAFs作为光热材料进行太阳能驱动光热产汽实验，实验结果表明，在1 kw·m^-2（即1sun）的太阳辐照下，两种材料的能量转换效率分别为87.86%和87.29%。

图4.(a) PAF-1在不同太阳光强度下的质量随时间变化曲线；(b) PAF-2在不同太阳光强度下的质量随时间变化曲线；(c) PAF-1在不同太阳光强度下的蒸发率和能量转换效率；(d) PAF-2在不同太阳光强度下的蒸发率和能量转换效率。

小结

作者通过溶剂热聚合方法制备得到酚醛聚合泡沫（PAFs）材料，所制备的材料具有高孔隙率、低表观密度、高机械性能、超亲水性以及低导热性等特点。在PAFs上覆盖烟灰碳后，这种双层材料（CPAFs）的光吸收性能增强。基于CPAFs的优点，在1 kw·m^-2的光照下，CPAFs的光热转化效率达到87%以上。这些研究结果为太阳能海水淡化领域提供了一种新的思路。

参考文献

Fang Liu, Weidong Liang, ChengjunWang, Chaohu Xiao, Jingxian He, Guohu Zhao, Zhaoqi Zhu, Hanxue Sun, An Li. Superhydrophilic and mechanically robustphenolic resin as double layered photothermal materials for efficient solarsteam generation. Materials Today Energy, 2020, 16 100375.

DOI: 10.1016/j.mtener.2019.100375.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2468606919302308

作者介绍

李安，博士，研究员，博士生导师。甘肃省“飞天学者”特聘教授。2001年和2006年分别于中国科学院兰州化学物理研究所获理学硕士和博士学位。2007年1月至2010年1月先后在美国威斯康星大学米尔沃基分校和新加坡南洋理工大学从事博士后研究工作。目前的研究工作集中在材料化学工程领域，重点聚焦高分子合成、微孔高分子材料、储氢材料、储能材料及相关高性能材料等研究领域。作为项目负责人主持完成和在研国家自然科学基金（3项）、甘肃省杰出青年基金、陇原青年创新人才扶持计划、甘肃省重点人才项目、甘肃省教育厅创新团队项目等十余项科研项目。已在包括《Angew. Chem. Int. Edit.》、《Adv. Mater.》、《Energy Environ Sci.》、《Adv. Energy Mater.》、《J. Mater. Chem. A》、《ACS Appl. Mater. Inter.》、《ChemSusChem》、《Chem. Commun.》、《Chem. Eng. J》等在内的国际权威期刊上发表SCI论文120余篇，引用3300余次。

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