袁家相，方 偉，陳 輝，王大珩，杜 星，何 漩，李薇馨，趙 雷

(武漢科技大學(xué) 省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430081)

0 引 言

太陽(yáng)能光熱水蒸發(fā)技術(shù)[1](Solar steam generation)能夠有效緩解淡水危機(jī)、實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好發(fā)展，是近年來光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其原理主要是通過光熱吸收體高效吸收太陽(yáng)光并轉(zhuǎn)化為熱能，以實(shí)現(xiàn)水的快速蒸發(fā)，研究領(lǐng)域包括海水淡化[2-4]、污水凈化[5]、高溫殺菌[6]等。早期的太陽(yáng)能光熱水蒸發(fā)技術(shù)多是以水體底部涂覆吸光材料加熱[7]以及納米流體懸浮于水中加熱[8]方式實(shí)現(xiàn)，具有熱損失高、能量利用率低、不易回收等缺點(diǎn)。為了改善這些問題，2014年Chen[9]等首次報(bào)道了一種光吸收體漂浮于水面的界面光熱水蒸發(fā)體系，通過光吸收體工作位置調(diào)整可有效實(shí)現(xiàn)光能和熱量在光吸收體-水界面處定位，進(jìn)而將轉(zhuǎn)換的熱能針對(duì)性傳遞給界面處有限的水，能極大提高能量利用率，實(shí)現(xiàn)高效水蒸發(fā)，為太陽(yáng)能光熱水蒸發(fā)技術(shù)提供了新的理念。

限制太陽(yáng)能界面光熱水蒸發(fā)技術(shù)發(fā)展的不僅有光吸收體所處水體的位置，材料的組分和結(jié)構(gòu)也是影響光熱轉(zhuǎn)換性能的關(guān)鍵因素。材料的組分通常決定光吸收體的光吸收率和本征導(dǎo)熱率，而材料的結(jié)構(gòu)則可以保證水的傳輸。目前得到廣泛研究的光吸收體主要是基于一些貴金屬納米材料[10]、半導(dǎo)體材料[11-12]、有機(jī)光熱材料[13]、碳基材料[14-15]所構(gòu)筑的多孔復(fù)合器件，其中多孔碳光吸收體由于成本相對(duì)較低、光吸收范圍廣，在大規(guī)模應(yīng)用方面表現(xiàn)出極大的發(fā)展?jié)摿?，大量研究致力于碳基光吸收體光吸收、孔結(jié)構(gòu)和水傳輸性能的調(diào)控。如Hu等[16]制備了三維多孔石墨烯氣凝膠，利用碳納米管和海藻酸鈉對(duì)其光吸收性和親水性進(jìn)行了調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了～83%的水蒸發(fā)效率。Zhu等[17]報(bào)道了由成本低廉的三聚氰胺聚合物碳化制備的碳海綿，其多孔結(jié)構(gòu)提供了良好的水傳輸性能，在1個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)度下水蒸發(fā)效率達(dá)到1.39 kg·m-2·h-1。近年來，隨著多層次結(jié)構(gòu)光吸收體的不斷深入研究，越來越多研究者對(duì)理想光吸收體的認(rèn)知有了更為全面辯證的思路。在保證高效光吸收的前提下，如何實(shí)現(xiàn)熱量的有效管理成為新的研究方向，其關(guān)鍵在于對(duì)光吸收和隔熱性能平衡的調(diào)控。

泡沫碳是一種由有機(jī)質(zhì)多孔高分子聚合物碳化形成的三維網(wǎng)狀碳材料，具有制備工藝簡(jiǎn)單、孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的優(yōu)點(diǎn)，在光熱水蒸發(fā)領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的研究前景。一方面碳質(zhì)成分可以提供高效光吸收，其發(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu)也可以提供便利的水傳輸通道。同時(shí)，通過調(diào)控碳化溫度還可以調(diào)節(jié)泡沫碳中有機(jī)質(zhì)與碳的比例，有機(jī)質(zhì)具有低熱導(dǎo)率，可以實(shí)現(xiàn)熱量的有效管理，而碳組分則是光吸收的關(guān)鍵?；诖?，本論文擬以水溶性酚醛樹脂作為碳源，通過表面活性劑發(fā)泡法制備三維多孔泡沫碳光吸收體，通過改變碳化溫度調(diào)節(jié)泡沫碳中有機(jī)質(zhì)/C相對(duì)含量比，進(jìn)而影響光吸收和隔熱性能。系統(tǒng)研究碳化溫度對(duì)泡沫碳光吸收、導(dǎo)熱率、熱管理能力以及光熱水蒸發(fā)性能的影響，找到最優(yōu)平衡點(diǎn)，綜合優(yōu)化光熱水蒸發(fā)性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑及儀器

實(shí)驗(yàn)試劑見表1，實(shí)驗(yàn)儀器見表2。所有實(shí)驗(yàn)試劑未經(jīng)純化。

1.2 泡沫碳的制備

水溶性酚醛樹脂和液相泡沫均依據(jù)課題組前期工作進(jìn)行合成[18]。具體過程為：分別取211.5 g液態(tài)苯酚、23.5 g木質(zhì)素磺酸鈉、5.40 g NaOH置入裝有攪拌器和冷凝管的1 000 mL三口燒瓶中，將三口燒瓶置于恒溫水浴鍋中，攪拌均勻后升溫至80 ℃，恒溫反應(yīng)0.5 h；然后加入305 g甲醛溶液，恒溫反應(yīng)2.5 h，于50 ℃條件下真空脫水，控制脫水量為90 mL，得到水性酚醛樹脂。

表1 實(shí)驗(yàn)試劑Table 1 Chemical reagents

表2 實(shí)驗(yàn)儀器Table 2 Experimental instruments

取50 mL去離子水、1 g十二烷基磺酸鈉、1 g十二醇、1 g阿拉伯樹膠粉，60 ℃下加熱溶解得到泡沫劑；將泡沫劑冷卻至室溫，并在恒溫條件下進(jìn)行快速攪拌，轉(zhuǎn)速1200 r/min，攪拌至體積達(dá)到400 mL以上，得到液相泡沫。

取40 g水溶性酚醛樹脂與80 mL液相泡沫混合均勻，然后加入17 g MDI固化劑攪拌至無流動(dòng)性為止；將混合溶液靜置固化20～30 min，而后冷凍干燥36 h；進(jìn)一步，將樣品分別在40、60、80、100 ℃每個(gè)溫度段干燥12 h，得到多孔樹脂。在埋碳條件下，將多孔樹脂在400、500、600、800 ℃溫度下熱處理3 h，制備得到泡沫碳(CF)樣品，根據(jù)碳化溫度不同分別記為CF-400、CF-500、CF-600、CF-800。最后，將樣品切成2 cm×2 cm×0.5 cm的樣塊，即得到不同的泡沫碳光吸收體。

1.3 表征及測(cè)試

采用X射線衍射儀(XRD，X’Pert Pro, Philips，荷蘭)和激光拉曼光譜儀(DXR2xi，ThermoFisher，美國(guó))分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)和物相組成；采用掃描電子顯微鏡(JSM-6610, JEOL, 日本)觀察樣品的顯微結(jié)構(gòu)；采用熱重-掃描差熱分析儀(TG/DSC, STA449, NETZSCH, 德國(guó))檢測(cè)分析泡沫碳熱分解行為，測(cè)試條件為：Ar氣氛、升溫速率5 ℃/min；采用紫外-可見分光光度計(jì)(Lambda 750S，PE，美國(guó))檢測(cè)樣品的透過率T和反射率R(測(cè)試波段范圍為200～2 500 nm)，并根據(jù)公式A=100-T-R計(jì)算其光吸收率；采用阿基米德排水法對(duì)試樣的氣孔率和體積密度進(jìn)行測(cè)定；采用全自動(dòng)真密度分析儀(ACCUPYC1330，Micromeritics，美國(guó))檢測(cè)樣品的真密度；采用導(dǎo)熱儀(DZDR-S型，南京大展檢測(cè)儀器公司，中國(guó))測(cè)試樣品的導(dǎo)熱系數(shù)；采用接觸角測(cè)量?jī)x(OCA15PRO，Dataphysi，德國(guó))測(cè)試樣品的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性。

樣品的太陽(yáng)光-水蒸氣轉(zhuǎn)換性能采用實(shí)驗(yàn)室自組裝裝置進(jìn)行測(cè)試，采用太陽(yáng)光模擬器(XS500，中教金源，中國(guó))提供1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光，使其垂直照射在樣品表面；采用紅外熱成像儀(TIS 20，F(xiàn)LUKE，美國(guó))測(cè)試蒸發(fā)系統(tǒng)表面溫度；采用電子分析天平(PTX-FA210S，華志電子科技有限公司，中國(guó))記錄整個(gè)水蒸氣轉(zhuǎn)換過程中體系的質(zhì)量損失，水蒸發(fā)率計(jì)算從蒸發(fā)系統(tǒng)表面溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)開始統(tǒng)計(jì)；采用梯度熱電偶分析光熱水蒸發(fā)系統(tǒng)頂部和底部溫度差ΔT。

2 結(jié)果與討論

2.1 泡沫碳結(jié)構(gòu)表征

采用X射線衍射儀和拉曼光譜儀對(duì)不同溫度制備的CF物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖1所示。從圖1(a)XRD圖譜可以看出，在設(shè)置溫度范圍內(nèi)所有樣品均呈現(xiàn)出非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，CF-400在10～30°附近有一個(gè)寬泛的饅頭峰，峰位大約在20°，這可歸因于分子間π-π堆積的有機(jī)芳香環(huán)結(jié)構(gòu)[19]和微弱的無定形碳衍射。隨著碳化溫度進(jìn)一步升高，饅頭峰峰位逐漸向高角度偏移，至26°左右，這是無定型碳的特征衍射，且隨著溫度升高衍射峰有所增強(qiáng)，說明500-800 ℃碳化可使π-π堆積的有機(jī)芳香環(huán)逐漸裂解轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型碳。圖譜中CF-400在40～50°并無明顯峰，而隨著溫度升高，40～50°寬峰逐漸增強(qiáng)，CF-800峰型已較為明顯，這是C(100)晶面衍射，進(jìn)一步說明有機(jī)質(zhì)逐漸裂解、無定型碳逐漸形成。Raman圖譜與XRD圖譜展現(xiàn)出一致的結(jié)果，所有樣品在 (約1 330～1 350 cm-1)、(約1 580～1 600 cm-1)處出現(xiàn)了碳的D帶和G帶特征峰[20]。D帶反映石墨結(jié)構(gòu)的無序程度，G帶則可能代表π-π堆積的有機(jī)芳香環(huán)結(jié)構(gòu)或石墨結(jié)構(gòu)有序度。在CF-400和CF-500樣品中G帶峰相對(duì)強(qiáng)度較高，這是未裂解有機(jī)芳香環(huán)結(jié)構(gòu)的特征響應(yīng)[21]；隨著碳化溫度繼續(xù)升高，D帶峰相對(duì)強(qiáng)度增高，G帶相對(duì)強(qiáng)度減弱，同樣說明有機(jī)芳香環(huán)逐漸裂解形成無定型碳，且形成的碳的石墨化程度較低。綜合XRD和Raman圖譜可以表明，泡沫樹脂的碳化過程實(shí)質(zhì)是有機(jī)樹脂-有機(jī)芳香環(huán)-無定形碳的轉(zhuǎn)變過程。

圖1 不同碳化溫度制備的泡沫碳的物相結(jié)構(gòu)：(a)XRD圖譜；(b)Raman圖譜Fig.1 Phase structure of carbon foam prepared at different carbonization temperature: (a) XRD spectrum; (b) Raman spectrum

圖2為不同碳化溫度制備的泡沫碳的SEM照片?？梢钥闯?，在設(shè)置溫度范圍內(nèi)所有樣品均呈現(xiàn)出發(fā)達(dá)的多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔內(nèi)壁光滑，孔徑分布在微米級(jí)尺度，這符合光吸收體對(duì)孔結(jié)構(gòu)的需求，可為水的傳輸和水蒸氣的脫離提供良好的通道[22]；隨著碳化溫度的升高，樣品的孔徑整體上有減小趨勢(shì)，說明溫度升高會(huì)一定程度引起泡沫碳孔結(jié)構(gòu)收縮。

圖2 不同泡沫碳樣品的SEM照片：(a)CF-400；(b)CF-500；(c)CF-600；(d)CF-800Fig.2 SEM images of different carbon foam samples: (a) CF-400；(b) CF-500；(c) CF-600；(d) CF-800

2.2 泡沫碳熱分解過程

為了探究泡沫碳形成過程，對(duì)泡沫碳前驅(qū)體多孔樹脂進(jìn)行TG-DSC分析，如圖3所示?？梢钥闯?，多孔樹脂的碳化過程是一個(gè)較為緩慢的過程，主要可以分為三個(gè)階段：380 ℃以下，TG曲線下降緩慢，對(duì)應(yīng)于DSC曲線表現(xiàn)為放熱過程，這主要是試樣固化后結(jié)合水的脫除以及多孔樹脂的進(jìn)一步縮合過程；該階段的質(zhì)量損失率較小，為14.5 %，體系依然以有機(jī)質(zhì)成分為主。在380～600 ℃，TG曲線迅速下降，質(zhì)量損失率達(dá)到38.6 %，這是劇烈的脫氧和脫氫反應(yīng)導(dǎo)致；該階段是樹脂熱聚合和熱分解的主要階段，熱聚合反應(yīng)為放熱過程，會(huì)形成一定量的π-π堆積有機(jī)芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，熱分解反應(yīng)則是有機(jī)質(zhì)向無定型碳的進(jìn)一步熱解過程，表現(xiàn)為吸熱過程；DSC曲線的放熱行為則說明該階段熱聚合反應(yīng)仍占主導(dǎo)，體系中有機(jī)芳香環(huán)結(jié)構(gòu)和無定型碳共存，只是相對(duì)含量隨著溫度變化有所不同，溫度較低時(shí)以熱聚合形成的有機(jī)芳香環(huán)為主，溫度較高時(shí)以無定型碳為主，這也與XRD與Raman結(jié)果一致。隨著溫度進(jìn)一步升高至1000 ℃，體系仍存在一定質(zhì)量損失，并表現(xiàn)為明顯的吸熱過程，這是樹脂熱解的最后完成階段，主要以有機(jī)質(zhì)的進(jìn)一步熱分解反應(yīng)為主，該過程會(huì)使剩余不多的有機(jī)質(zhì)完全轉(zhuǎn)換為無定型碳結(jié)構(gòu)。

綜合分析XRD、Raman以及TG-DSC數(shù)據(jù)可以說明，泡沫碳的整個(gè)熱解過程實(shí)則是熱聚合和熱分解的分階段行為，在成分上則表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)/C相對(duì)含量比的變化。對(duì)于CF-400樣品，由于主要發(fā)生熱聚合過程，組成以π-π堆積有機(jī)芳香環(huán)為主；對(duì)于CF-500和CF-600樣品，熱解過程是熱聚合和熱分解的綜合表現(xiàn)，樣品中同時(shí)存在有機(jī)芳香環(huán)和無定型碳兩種結(jié)構(gòu)，且隨著溫度升高，CF-600中無定型碳相對(duì)含量相比于CF-500有大幅提高；對(duì)于CF-800，由于有機(jī)質(zhì)已熱解完全，體系以無定型碳結(jié)構(gòu)為主。

圖3 多孔樹脂熱解過程TG-DSC曲線Fig.3 TG-DSC curves of porous resin

2.3 泡沫碳光吸收性能

為了探究不同碳化溫度對(duì)泡沫碳光吸收性能的影響，對(duì)樣品透射光譜、漫反射光譜進(jìn)行測(cè)定，如圖4所示。從圖4(a)可以看出，不同碳化溫度得到的樣品透過率都很低，碳化溫度對(duì)泡沫碳光透過率影響不大。影響泡沫碳光吸收性能的主要是漫反射光譜，在500～2500 nm波段范圍反射率有明顯區(qū)別，這可能是由于不同波長(zhǎng)的光在泡沫碳內(nèi)部的反射和散射能力不同所致。通過透射光譜和漫反射光譜計(jì)算得到吸收光譜，如圖4(c)所示?？梢钥闯?，所有樣品均展現(xiàn)出高效寬范的光譜吸收特性，光吸收率在90%以上，滿足光吸收體吸光性要求；碳化溫度的不同則主要影響長(zhǎng)波段范圍光的吸收。在碳化溫度為400～600 ℃時(shí)，CF-400、CF-500、CF-600光吸收率逐漸增強(qiáng)，這是由于無定型碳的形成使碳相對(duì)含量逐漸升高，進(jìn)而使樣品本征光吸收系數(shù)增高；隨著碳化溫度進(jìn)一步升高，CF-800光吸收率有所減弱，這可能與樣品孔結(jié)構(gòu)演變有關(guān)。綜合分析樣品光吸收曲線可以得出，泡沫碳的光吸收主要受無定型碳的含量決定，孔結(jié)構(gòu)也能一定程度影響光的反射和散射；在碳化溫度為600 ℃時(shí)，CF-600具有最高的光吸收率，達(dá)到～96.5%。

圖4 不同泡沫碳樣品的光吸收性能：(a)透射光譜；(b)反射光譜；(c)吸收光譜Fig.4 Light absorption properties of different carbon foam samples: (a) transmittance spectra; (b) reflectance spectra; (c) absorption spectra

為了進(jìn)一步分析碳化溫度不同時(shí)樣品孔結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，對(duì)樣品的氣孔率和體積密度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，在設(shè)置溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，樣品的真密度逐漸增大，這與有機(jī)質(zhì)逐漸裂解轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形碳過程有關(guān)，有機(jī)質(zhì)中大量氫元素的脫除會(huì)使真密度增加；而真密度的增加以及孔結(jié)構(gòu)收縮(圖2)也使樣品體積密度大幅升高。在多孔光吸收體體系中，影響光吸收性能的因素包括材料本征光吸收系數(shù)以及孔結(jié)構(gòu)，孔的存在主要是通過對(duì)光的多重反射以延長(zhǎng)傳播路徑，進(jìn)而增強(qiáng)光吸收率，而顯氣孔則是進(jìn)行有效光反射的關(guān)鍵。從表3數(shù)據(jù)可以看出，樣品的顯氣孔率隨著溫度升高逐漸降低，結(jié)合圖4(c)中光吸收率變化規(guī)律分析可以得出，CF-400、CF-500、CF-600光吸收率逐漸增強(qiáng)主要是受碳相對(duì)含量增加引起的本征光吸收系數(shù)增高所致；而CF-800與CF-600碳相對(duì)含量變化不大，其光吸收率降低則可能是受顯氣孔率降低影響。

表3 各泡沫碳樣品的氣孔率、體積密度、真密度Table 3 Porosity, bulk density and true density of carbon foam samples

2.4 泡沫碳隔熱性能

泡沫碳的隔熱性能是影響光熱水蒸發(fā)性能的關(guān)鍵因素，隔熱性能差會(huì)使熱量傳遞到環(huán)境中，導(dǎo)致熱能的利用率降低。為了探究不同碳化溫度泡沫碳的隔熱性能，對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。從表4可以看出，在設(shè)置溫度范圍內(nèi)所有樣品的導(dǎo)熱系數(shù)均較低。隨著碳化溫度升高，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，表明泡沫碳隔熱性能變差。對(duì)于多孔光吸收體而言，影響隔熱性能的因素主要有光吸收體主體成分的本征導(dǎo)熱系數(shù)和閉氣孔率。結(jié)合圖3 TG-DSC圖譜分析可知，隨著碳化溫度升高，有機(jī)質(zhì)/C相對(duì)含量有所降低，說明樣品的本征導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，這與表4變化規(guī)律一致。而從表3則可以看出，樣品的閉氣孔率在500 ℃以后則呈現(xiàn)明顯升高趨勢(shì)，這與表4導(dǎo)熱系數(shù)的變化不符。說明在本論文工作中，所制備的泡沫碳的隔熱性能主要受有機(jī)質(zhì)/C的相對(duì)含量決定，無定型碳含量越高，隔熱性能越差，閉氣孔率在實(shí)驗(yàn)變化范圍內(nèi)對(duì)隔熱性能影響不大。

表4 不同泡沫碳樣品的導(dǎo)熱系數(shù)Table 4 Thermal conductivity of different carbon foam samples

2.5 泡沫碳水潤(rùn)濕性

泡沫碳與水的潤(rùn)濕性會(huì)影響其對(duì)水的吸附和傳輸，因此實(shí)驗(yàn)也分析了不同泡沫碳樣品的接觸角變化，如圖5所示。從圖中可以看出，不同碳化溫度得到的樣品均展現(xiàn)出良好的親水性，可為水蒸發(fā)過程中水的快速吸附提供有利條件。隨著碳化溫度的升高，樣品的親水性逐漸變好；CF-400和CF-500樣品在液滴滴落5 min后，接觸角分別為～60°和～50°，表現(xiàn)為粘附潤(rùn)濕過程；而CF-600和CF-800樣品則表現(xiàn)出明顯的滲透和吸附行為，從滴落到完全吸附僅需8～9 s，這可能與泡沫碳制備過程引入木質(zhì)素磺酸鈉有關(guān)，木質(zhì)素磺酸鈉中含有親水性磺酸基團(tuán)，在高溫碳化過程中會(huì)形成一定量的硫摻雜，可以改善碳材料的親水性[23-24]。

圖5 不同泡沫碳樣品的接觸角照片F(xiàn)ig.5 Contact angle images of different carbon foam samples

2.6 太陽(yáng)光-水蒸氣蒸發(fā)性能

經(jīng)過上述分析，制備的多孔泡沫碳具有高的光吸收性、良好的親水性、發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和低的導(dǎo)熱系數(shù)，滿足光熱水蒸發(fā)過程光吸收體的結(jié)構(gòu)和性能要求，對(duì)各樣品的太陽(yáng)光-水蒸氣轉(zhuǎn)換能力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖6-8所示。圖6為紅外熱成像儀拍攝的不同水蒸發(fā)系統(tǒng)泡沫碳表面溫度分布照片，從圖中可以看出，經(jīng)太陽(yáng)光照射后，CF體系的樣品表面溫度均高于純水體系，證明泡沫碳具有良好的光熱轉(zhuǎn)換能力。CF體系升溫較快，在太陽(yáng)光照射10 min后表面溫度均達(dá)到40 ℃以上。對(duì)比不同CF體系表面溫度照片還可以看出，CF-400、CF-500、CF-600表面溫度逐漸增高，但隨著碳化溫度進(jìn)一步升高，CF-800表面溫度有所降低。結(jié)合圖4(c)中光吸收率變化規(guī)律分析可以得出，CF-400、CF-500、CF-600體系溫度的逐漸增高主要與光吸收率相關(guān)；而CF-800的光吸收率介于CF-400和 CF-500之間，但表面溫度最低；結(jié)合表4導(dǎo)熱系數(shù)分析可以得知，這主要是由于CF-800的隔熱性能較差，使得一部分轉(zhuǎn)換的熱量自上而下傳遞到水中引起表面溫度降低。綜合分析不同水蒸發(fā)體系泡沫碳表面溫度分布照片說明，表面溫度主要由光吸收和光熱轉(zhuǎn)換過程決定，但差的隔熱性能也會(huì)影響熱管理過程，進(jìn)而降低能量利用率；在碳化溫度為600 ℃時(shí)，CF-600具有最高的表面溫度，為～49.6 ℃。

太陽(yáng)能界面光熱水蒸發(fā)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)⒏嗟臒崃慷ㄎ辉诮缑?，減少熱損失，圖7為不同水蒸發(fā)系統(tǒng)頂部和底部的溫差變化(ΔT)?？梢钥闯?，純水體系溫差為-1 ℃，熱量有明顯自上而下的傳遞過程，這是由于該體系光照直射底部，更多的能量集中于底部，導(dǎo)致其高于體系頂部溫度。在多孔泡沫碳體系中，CF-400、CF-500、CF-600和CF-800的溫差分別為～4.1 ℃、～3.8 ℃、～2.7 ℃、～1.3 ℃，隨著碳化溫度升高，各體系溫差明顯減小，說明對(duì)于有機(jī)質(zhì)組分含量高、隔熱性能好的CF體系，熱量能夠更多的定位在光吸收體區(qū)域，進(jìn)而引起熱量在吸收體-水界面處高效傳遞，減少熱損失；CF-800組分以無定型碳為主，導(dǎo)熱率最高，熱傳遞更為明顯，因而獲得了最低的表面溫度(圖6)。

圖7 不同水蒸發(fā)體系溫差(ΔT)變化(ΔT=空氣與水的界面溫度-水蒸發(fā)系統(tǒng)底面的溫度，距離為3.5 cm)Fig.7 Variation of temperature difference (ΔT) in different water evaporation system(ΔT=interface temperature of air and water - bottom temperature of the water evaporation system, distance= 3.5 cm)

圖8(a)為各樣品水蒸發(fā)體系的質(zhì)量損失曲線，可以觀察到，和純水相比，CF試樣的質(zhì)量損失率更大，這歸因于泡沫碳本征具有的光吸收和熱轉(zhuǎn)換能力。通過對(duì)質(zhì)量損失率曲線的斜率進(jìn)行計(jì)算，可以得到各蒸發(fā)體系的水蒸發(fā)率，如圖8(b)所示。純水的水蒸發(fā)率為0.4978 kg m-2h-1，在純水表面漂浮泡沫碳光吸收體后，CF-400、CF-500、CF-600、CF-800的水蒸發(fā)率分別增加到0.9061、0.9867、1.0391、0.9183 kg m-2h-1。這也與光吸收率、隔熱性能、表面溫度以及不同水蒸發(fā)體系上下溫差分析結(jié)果一致，較低的碳化溫度(400～500 ℃)使泡沫碳體系中有機(jī)質(zhì)含量較高，雖能有效實(shí)現(xiàn)熱管理，但不足的碳含量也會(huì)影響光吸收和熱轉(zhuǎn)換過程，使水蒸發(fā)效率并不高；而溫度過高(800 ℃)又會(huì)因無定型碳高的導(dǎo)熱率使熱管理能力變差，降低能量利用率，影響水蒸發(fā)效率；當(dāng)碳化溫度為600 ℃時(shí)，CF-600體系光吸收和熱管理達(dá)到最優(yōu)平衡，體系獲得最高的光熱水蒸發(fā)效率，為純水的2.08倍。圖8(c-d)為 CF-600蒸發(fā)體系可循環(huán)性測(cè)試結(jié)果，可以看出，在重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)后，系統(tǒng)的質(zhì)量損失率沒有明顯變化，表明制備的多孔泡沫碳光吸收體也具有較好的可循環(huán)實(shí)用性。

圖8 太陽(yáng)光水蒸發(fā)性能：(a)質(zhì)量損失率；(b)水蒸發(fā)率；(c)CF-600體系循環(huán)質(zhì)量損失率；(d)CF-600體系循環(huán)水蒸發(fā)率Fig.8 Solar water evaporation performance: (a) mass change rate; (b) evaporation rate; (c) mass change rate of CF-600 recyclability test; (d) evaporation rate of CF-600 Recyclability test

3 結(jié) 論

(1)通過表面活性劑發(fā)泡法成功制備了具有三維多孔結(jié)構(gòu)的泡沫碳光吸收體；

(2)泡沫碳的碳化溫度對(duì)泡沫碳中有機(jī)質(zhì)和C的相對(duì)含量比、孔結(jié)構(gòu)有直接影響，進(jìn)而影響泡沫碳的光吸收、導(dǎo)熱系數(shù)、熱管理能力以及光熱水蒸發(fā)性能；

(3)隨著碳化溫度升高，泡沫碳中有機(jī)質(zhì)逐漸裂解轉(zhuǎn)變成無定型碳結(jié)構(gòu)，無定形碳組分的大量形成使光吸收體的光吸收率大幅增加，但也會(huì)一定程度降低水蒸發(fā)體系隔熱性能。

(4)碳化溫度為600 ℃時(shí)，制備的泡沫碳光吸收和熱管理達(dá)到最優(yōu)平衡點(diǎn)，獲得最高的光吸收率～96.5%，合適的導(dǎo)熱系數(shù)0.1139 W m-1K-1，最優(yōu)的太陽(yáng)光水蒸發(fā)性能1.0391 kg m-2h-1，是純水體系的2.08倍。