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 最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所朱英杰研究員帶領的科研團隊，在新型無機耐火紙的研究工作基礎上，以羥基磷灰石超長納米線耐火紙為載體，負載碳納米管，成功地研制出大尺寸新型光熱轉換耐火紙。羥基磷灰石超長納米線耐火紙具有熱導率低、隔熱性能優異、熱穩定性高、生物相容性好、環境友好等優點，可顯著減少熱量損耗，達到提高太陽能利用效率的目的。該新型光熱轉換耐火紙在太陽光照射下可有效吸收太陽光并轉換為熱能，用于加熱其表面的水而產生水蒸汽，水蒸汽在冷凝裝置中經過冷凝產生清潔水。新型光熱轉換耐火紙在海水淡化、含重金屬離子、染料和細菌等污水凈化等領域具有良好的應用前景。相關研究結果發表在國際權威期刊Small上 (Zhi-Chao Xiong, Ying-Jie Zhu* et al., Small, 14, 1803387 (2018)) (I.F. = 9.598)。

相關研究背景

近年來，隨著全球范圍水污染問題日益嚴重，水資源短缺和水危機已經成為全球性難題之一。解決嚴重淡水危機的最有前途方法之一是開發利用不可直接飲用的水，如海水。傳統的海水淡化技術需要直接或間接地消耗不可再生的化石燃料資源，會加速資源消耗，也會污染環境。太陽能是一種高效、源源不斷可持續的清潔能源，利用太陽能來驅動海水淡化具有巨大的發展潛力。但傳統的太陽能蒸餾技術效率低、產量小，主要原因是水對太陽光的吸收效率低，大部分熱量分散于水體中。為提高太陽能蒸餾過程中水的蒸發效率，一方面需要采用光熱轉換材料提高對太陽光的吸收率和光熱轉換效率；另一方面，根據水蒸發僅發生在水體表面這一特征，設計自漂浮材料，將光熱轉換材料吸收太陽能產生的熱量聚集于空氣/水的界面以減少熱量的損耗。近年來，科研人員研究了多種光熱轉換材料用于太陽光輻照產生水蒸汽和清潔水，然而很多光熱轉換材料存在熱穩定性差、效率低等缺點。

相關研究工作

該研究團隊發展了油酸鈣前驅體溶劑熱法并結合真空抽濾成型方法制備大尺寸羥基磷灰石超長納米線耐火紙，之后加入碳納米管分散液繼續真空抽濾，從而制備出新型光熱轉換耐火紙。該方法有望用于放大制備大尺寸新型光熱轉換耐火紙，具有批量化生產的潛力。目前，研究團隊已經在實驗室實現了100升反應釜的放大制備技術。所制備的光熱轉換耐火紙具有優異的耐高溫、耐火阻燃和隔熱性能，在酒精燈火焰中灼燒和高溫環境中，可以保持完好。

實驗結果顯示，新型光熱轉換耐火紙在1 kW/m2模擬太陽光源照射1分鐘條件下，其表面溫度快速升高至約80℃，而未負載碳納米管的耐火紙表面溫度僅為約35℃。將新型光熱轉換耐火紙放置在水溶液中，可自漂浮在水面上而不下沉。進一步測試了新型光熱轉換耐火紙的水蒸發性能，在1 kW/m2模擬太陽光源照射下水蒸發效率為83.2%，在10 kW/m2模擬太陽光源照射下水蒸發效率高達92.8%。另外，新型光熱轉換耐火紙可多次循環使用和長期使用，水蒸發性能的穩定性良好。

在太陽能驅動水蒸發過程中，溶液中的重金屬離子、染料和細菌等污染物可以被有效阻擋并保留在水溶液中，產生的水蒸汽冷凝后產生清潔水。新型光熱轉換耐火紙應用于5種模擬海水的太陽能驅動淡化處理，氯化鈉的濃度可降低3個數量級，對氯化鈉的去除率高達99.95%，淡化后的清潔水可滿足世界衛生組織制定的健康飲用水標準。研究團隊對取自東海附近的真實海水進行了淡化研究，實驗結果顯示，采用新型光熱轉換耐火紙太陽能驅動淡化處理后，對海水中幾種主要離子例如Na 、 Mg2 、 K 、 Ca2 、B3 的去除率超過94.32%，最高可接近100%，淡化后的水質可達到世界衛生組織規定的飲用水標準。采用新型光熱轉換耐火紙太陽能驅動處理含重金屬離子Ni2 、 Cu2 、 Cd2 、 Ba2 、 Mn2 的水溶液時，重金屬離子去除率超過99.99%。經新型光熱轉換耐火紙太陽能驅動處理含有染料的污水以及含有細菌的水后，收集得到冷凝水的水質均可達到國家飲用水標準（GB5749-2006）。

（a）新型光熱轉換耐火紙太陽能驅動水蒸發示意圖；(b)大尺寸新型光熱轉換耐火紙；(c)高柔韌性、可裁剪性和良好力學性能展示。

新型光熱轉換耐火紙在酒精火焰中灼燒后可保持完好。

（a）新型光熱轉換耐火紙和多種對照樣品在1 kW m-2模擬太陽光源照射下水質量的變化；(b)新型光熱轉換耐火紙在不同光源強度照射下水蒸發速率變化。

新型光熱轉換耐火紙多次循環使用和長時間使用后仍保持穩定的水蒸發速率。

新型光熱轉換耐火紙用于太陽能驅動處理模擬海水和真實海水后，其水質可達到世界衛生組織健康飲用水標準；用于含重金屬離子水溶液、含染料水溶液、含細菌水溶液的凈化，處理后水質可達到飲用水國家標準。