基于聚乙二醇二硫化钼棉布的太阳能高效利用外文翻译资料

 2021-11-02 22:34:59

英语原文共 7 页

基于聚乙二醇二硫化钼棉布的太阳能高效利用

摘要:太阳能蒸汽发电利用丰富的太阳能和漂浮的光热材料，被认为是解决水资源短缺问题最可持续、最有效的途径之一。本文以聚乙二醇二硫化钼棉布(PMoS2-CC)为基础，研制了一种新型的太阳能蒸汽产生的系统。由于棉花布具有良好的透气性和PMoS2-CC的亲水性，在1- 5kw m-2光密度下，太阳能高效蒸汽的产率可达80.5-90 3.5%。自生长的PmoS2-CC在纯水和盐水中具有良好的光热性能。PMoS2-CC经过长时间的过滤(4h)和32次循环试验，蒸发速率保持稳定。研究结果为解决饮用水短缺问题提供了一种制备纯水的方法。

关键词:二硫化钼聚乙二醇，太阳能发电，光热材料，饮用水

  1. 简介

进入21世纪，饮用水短缺已经成为人类面临的最普遍的挑战之一，而随着人口的增长和工业的快速发展，这个问题变得越来越根深蒂固。近年来，太阳能海水淡化作为一种低成本、无污染的技术，已人们关注的焦点。利用太阳能从海水和工业废水中产生洁净水，是解决水资源短缺的一项有前途的技术。在实际应用中，一种技术可以最大化的利用太阳能是很必要的。传统的太阳能淡化技术由于大量的热量散失而无法实现。人们认为利用浮式光热基片进行局部加热产生太阳能蒸汽的方法是近年来最有效的方法。

太阳能蒸汽的产生得益于光热材料具有足够的光吸收能力。由于电子共振效应，纳米光热材料在增强光吸收方面表现突出。自2013年金纳米颗粒首次应用于太阳能蒸汽的产生领域以来，许多不同的光热材料，特别是具有理想设计的纳米光热材料被引入该领域。如碳球、“石墨烯”、炭黑、和脱落石墨等碳基纳米材料以其低成本、大表面积、良好的热导性及光吸收性能等独特优势，正成为研究热点。然而，光热材料的数量在不断增加。最近的一份报告设计了一种基于MoS2纳米片和单壁纳米管薄膜的新型超细二维(2D)多孔光热薄膜，用于高性能的太阳能蒸汽的产生，这使得过渡金属硫化物MoS2进入了太阳能蒸汽的研究领域。MoS2是一种应用广泛的高比表面积的二维石墨烯类材料，由于其良好的光电子和光吸收性能，在许多领域得到了广泛的应用。

正如之前的报告所显示的，一个理想的太阳能蒸汽发生系统应该漂浮在水面上。因此，除了在最大限度利用太阳能的整个波长范围内(250-2500 nm)具有高的太阳能吸收材料外，还需要考虑其他一些主要因素:大面积制备、水运畅通、透气性突出、光热支撑膜(PSMs)的机械稳定性高。良好的PSMs已经取得了显著的进展，如纸张PSMs包括气铺纸、和混合纤维素酯膜，金属PSMs包括阳极氧化铝膜，和不锈钢网以及微孔，聚(乙烯基富奥里德)聚合物PSMs。纸质PSMs在长时间的辐照下是脆弱的，然而金属PSMs和聚合物PSMs却更贵且更难获取供蒸汽逸散的多孔性能。到目前为止，我们只发现少数PSMs能够满足上述所有条件。

在这项工作中，我们的目的是介绍一种新的材料聚乙二醇PMoS2-棉布(PMoS2-CC)运用入太阳能蒸汽系统。除制备面积大、水运畅通、透气性好、机械稳定性高外，棉布还具有耐高温、耐碱性、成本低(0.77/m2美元)等优点，成为替代纸、金属、聚合物PSMs的理想PSM。MoS2具有良好的光吸收性能，而高的表面积结构可以提高光吸收性能，从而更有效地利用太阳能。采用水热自生长法将MoS2接附到棉布上，此外聚乙二醇(PEG)对体系进行了优化。PMoS2-CC具有良好的耐高温、耐碱性和高稳定性。PMoS2-CC在1kw/m2下光热转换效率为80.5plusmn;3.5%，在较高的太阳光照下光热转换效率为90plusmn;3.5%。此外，长时间光照后，蒸发速率保持稳定。该方法成本低、操作简单，表明PMoS2-CC在水蒸馏、海水淡化、工业水处理等相关技术中具有广阔的应用前景。

  1. 实验部分

2.1．材料

钼酸钠脱水(Na2MoO4·H2O)、硫脲(H2NCSNH2)、聚乙二醇购自国药控股化学试剂有限公司。这些材料没有进一步提纯作为起始材料。

    1. 制备MoS2-CC

采用水热自生长法制备了MoS2-CC。首先，将处理后的棉布(4.5 x 4.5 cm#39;)(处理详情见附注S1)浸于20 ml的营养液中浸泡2小时，营养液由去离子水(DI)中的0.01 M Na2MoO4·H2O和0.02 M H2NCSNH2组成。将营养液浸过的棉布在60℃真空烘箱中烘干。由0.05 M Na2MoO4·H2O和0.1M H2NCSNH2组成的更大浓度的溶液在30 ml的去离子水搅拌30分钟,然后干燥后的营养化的棉布和更大浓度的溶液被转移到50毫升,高压釜,密封,在200°C和反应20小时。最后,MoS2-CC样品用乙醇和去离子水清洗几次在60℃下干燥，然后存储在培养皿中以备之后的使用。

2.3准备PMoS2-CC

将MoS2-CC和0.3 g PEG在30mL的去离子水中转移到50 ml高压釜中，150℃密封处理1h, 洗涤然后在60℃干燥。

2.4材料的特征

接触角采用标准PT-705-A接触角分析仪(东莞普斯特检测设备有限公司)测量。用532 nm激发激光对LabRAM HR 800UV (Horiba JobinYvon, France)进行了拉曼光谱分析。从FT-IR文本(Nicolet iss0, USA)得到不同样品的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)。采用岛津紫外可见光-近红外UV-3600双光束分光光度计记录吸收、反射率和透射率，采用D8-advance衍射仪(Bruker, Germany)进行x射线衍射(XRD)测量。采用场发射扫描电镜(FE-SEM) (ISM7100F，日本)对不同样品的形貌进行了观察。

2.5太阳能蒸汽发生

将自生长的MoS2-CCC和PMoS2-CC切成直径为35mm的圆形，浮在水面或盐水(制备盐水的支持资料注S2和表S1)表面，用热障层(聚苯乙烯泡沫塑料覆盖一层充气纸)。实验设置由四部分完成(图S1):(1)光源[1个氙灯(cell - hxf300, Education au light Co.， Beijing, China)]；(2)红外摄像机(FLIR E4 Pro，America);(3)电子天平;(4)计算机。一旦灯亮了，重量的变化立即被电子天平和计算机实时记录下来。在所有试验中，室温均保持在24-28℃。每次循环试验后，样品均在60℃的真空烘箱中干燥后待用。

3.结果与讨论

图la展示了PMoS2-CC的双层结构，其插图显示了MoS2光吸收层是由紧密排列的花状片层结构组成，以实现对光的最大吸收。如图1b所示，PMoS2-CC漂浮在水面上(图S2)，通过一个热障层吸收光的照射，形成一个局域热区(图S3)，在这个局域热区中，水蒸发生成太阳能蒸汽。PMoS2-CC (详见实验部分)的制作过程如图2a所示。首先，用简单的水热法在处理过的CC上生长MoS2。众所周知，CC是由天然棉纤维制成的，它是由多个由聚d-葡萄糖链组成的单根棉纤维组成。这种结构使纤维吸收大量的水。然而，制备的MoS2-CC具有疏水表面(图2a1, S4)，这可能是因为MoS2降低了CC的亲水性，然后在PEG溶液中对MoS2-CC进行水热处理1小时，两次后合成了PMoS2-CC。得到的PMoS2-CC2表面非常亲水(图2a2 a3)。CC、MoS2-CC、PMoS2-CC和PEG的FT-IR光谱如图Ss所示，这与之前CC的报告相一致，亲水表面不仅可以保持连续的供水，而且由于毛细管作用使液膜状态延长。此外，由于薄水膜阻力较小，使得水面温度较高，蒸发效率较高。生长的PMoS2-CCC的照片为黑色(图2b)，说明PMoS2-CC具有较高的太阳能吸收能力。图2 c, d显示了PMoS2-CC的FE-SEM图像，显然是观察到的棉布的超细纤维形态从而表明棉布的形态是不受MoS2结构的增长。此外，超细纤维形态的CC是多孔性，使其拥有出色的透气性为水蒸气逸散提供条件。从高倍放大FE-SEM图像如图2e，f，MoS2分层排列在CC中，且可以清晰的被观察到。MoS2纳米粒子非常小，排列紧密。利用高倍FE-SEM(图2g)可以观察到由MoS2纳米片组成的MoS2纳米花层。

采用XRD对纯CC和原生MoS2的晶体结构进行了研究 (图3a)。纯棉布的衍射峰分别为14.9°，16.60°，22.6°和34.70°，对应于纤维素的(110)、(110)、(200)和(004)面。MoS2-CC的x射线衍射图谱显示出明显的六方相MoS2峰(JCPDS card no.37 - 1492)。在32.6°，33.8°和58.3°处有三个峰分别对应(100)、(101)、(110)面。然而，(002)反射峰在2theta;asymp;14°时没有出现，这表明存在5层或更少的层状石墨烯类MoS2。低角衍射峰在8.6°的应该归因于更大的层间间距。由Brasg方程得到MoS层间间距。计算MoS2-CC为0.98 nm，而大块MoS2层间间距为0.615 nm(注S3)。进一步对纯CC、MoS2-CC、PMoS2-CC进行了拉曼光谱分析，确认了CC中成功包含MoS2层数(图3b-d)。强劲上涨荧光毫无特色的背景出现在纯CC的拉曼光谱，而荧光不会掩盖棉布的任何信息。另外两个样品在1348cm-1和1581cm-1出现两个特征峰,对应于D和G带，分别指示纯CC的碳化，因为高温热液处理达200 ℃。在MoS2的增长后，由于纯CC在整个波长内具有较强的上升荧光，使得MoS2的峰值非常不明显(图3b)。在380 ~ 420 cm-1范围内测试了MoS2-CC，PMoS2-CC的拉曼光谱(图3c、d)，其中MoS2的两个显著峰分别对应E2g和Ag在382和405 cm-l处分别涉及Mo和S原子的振动。两种模式的差异为23 cm-l，说明是三层的MoS2。

高吸光率是实现高效太阳能蒸汽产生的重要条件。如图4a所示，PMoS2-CC在200 ~ 2000 nm波长范围内具有宽带光吸收(gt;90%)，在2000 ~ 2500 nm波长范围内具有80%以上的光吸收。PMoS2-CC和MoS2-CC的反射率和透射率测量表明，PEG优化过程对光学性能几乎没有影响(图4b，c)。MoS2-CC和PMoS2-CC都在200-2500纳米范围内具有超高的光吸收能力。高吸光率应归因于以下原因:(1) MoS2纳米花状结构有层次地在棉布上排列增大了光吸收表面积； (2) 由于纳米晶尺寸的MoS2样品增强了其内部电子振动； (3)由于MoS2有次序的纳米花状构层所实现的光的多重内反射(图S6)。PMoS2-CC具有如此良好的吸光能力，其在实现高效率光热转换方面具有广阔的前景。我们在1KW/m2的太阳能照射下测定了纯水、PMoS2-CC的表面温度并将其记录为时间的函数，如设想的一般，纯水的温度从27.8℃缓慢上升到29.3℃。相比之下，PMoS2-CC的表面温度在5min的光照下迅速上升到43.2 C。PMoS2-CC表面温度的快速升高是由于其具有较高的光吸收能力（温度由红外线摄影机监控)。此外，已知纯CC具有较高的耐碱性。采用碱处理工艺测试了PMoS2-CC的耐碱性能(图S7)。结果表明，经过1mol /L的氢氧化钠溶液处理后，PMoS

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