納米碳材料的光熱轉換性質及影響因素

■北京市第三十五中學 柳鈺露 肖 飏 杜春燕 謝凌波

目前，應用最廣泛的海水淡化技術主要局限于蒸餾淡化和反滲透膜技術，然而，兩者都存在能源消耗大、設備維護成本高、產品價格昂貴等缺點，低耗能、低成本、環境友好型的海水淡化技術的需求與日俱增。

太陽能被看作是取之不盡、用之不竭的綠色能源，太陽光照導致的水蒸發提供了大氣環境中90%的水汽，是生物圈中水循環極為重要的環節。人們可將太陽能轉化為熱能，促進海水的蒸發并收集蒸發產物，即可獲得高品質、低價格的淡水資源。

光熱轉換產生水蒸氣是一種高效的、全新的太陽能利用方式, 在污水處理等領域具有廣泛的應用前景，而低成本、高效率的海水淡化方法還在進一步研究中。對此，美國阿貢國家實驗室塞思·B·達林博士等研究者以中國“文房四寶”之一的“墨”為光熱轉換材料，對多孔材料進行表面沉積改性，使其用于膜蒸餾海水淡化。基于中國墨的涂層在近紅外（NIR）及紫外（UV）區具有強吸收特性，其改性膜材料具有卓越的光熱轉化效率和水蒸發效率。

此外，這種墨涂層的強粘附性使其能在木材、纖維、塑料等各種多孔基底表面簡便涂覆沉積，利于大規模工業化應用，但以碳材料作為光熱轉換材料的方法仍在完善，且未對碳材料的光熱轉換效率的影響因素有明確的機理上的認識。

一、碳材料存在光熱轉換機理

（一）能級躍遷釋放能量

碳材料主要具有sp3和sp2雜化、π電子云，能級十分接近，帶隙，可見光吸收范圍較寬，光波中絕大部分的光子都被碳材料吸收，使其中的電子進行能級躍遷。而處于激發態的電子十分不穩定，大致可通過輻射躍遷、無輻射躍遷、傳能和猝滅的方式使其回到基態、放出能量。

（二）黑色吸光特性

自然界的可見光照射到物體上，物體會反射其無法吸收的光波。黑色物體由于可吸收大量光波，所以看起來是黑色的。以此推測，碳材料由于部分材料呈黑色特性，對光的吸收會更徹底，從而能更有效地將光能轉化為熱能。

（三）光熱轉換效率

對于光熱轉換效率，由于溫度能從宏觀角度直接反映物質的吸、放熱情況，且納米流體在溶劑（水）中以超聲波充分分散，本文直接采用公式（光熱轉換效率=溫度改變量/時間）進行數據分析。

二、實驗材料

水銀溫度計，液槍，超聲波分散儀，40ml 燒杯，60ml 量筒，紅外線烤燈，石墨烯溶膠，氧化石墨烯溶膠等。

三、實驗方案

用繩子把水銀溫度計綁在鐵架臺上，將紅外線烤燈放在合適位置。取出2 個40ml 燒杯，其中一杯盛20ml 清水。

計算所配溶液濃度需要的溶劑，用液槍把定量的溶劑射入另一個燒杯。每次使用液槍后都要在盛有清水的燒杯中不斷摁壓液槍尾部的活塞，以清除液槍管內殘留的溶劑。

將兩個燒杯中的溶液混合后倒入40ml 的容量瓶，將配置好的溶液放入超聲波分散儀均勻分散后重新倒入40ml的燒杯。將燒杯放在鐵架臺上，調整燒杯和水銀溫度計的高度，使水銀溫度計的底部剛好沒入溶液。打開紅外線烤燈，待溶液溫度上升至29℃時，開始計時，如圖1。

圖1

四、實驗影響因素

本次實驗的測量參數主要為溫度（每分鐘的變化），采用水銀溫度計測量，控制變量為溶液的體積、物質所占溶液的比例以及起始溫度。

其中，溶液體積通過容量為60ml的量筒測量，接近40ml 時使用滴管，確保實驗的溶液體積為40ml。物質所占溶液的比例用液槍精確控制（精度為0.001ml）。

為確保溶液在實驗測量中的起始溫度相同，若溶液溫度低則用紅外線烤燈照射至29℃后開始計時；若溶液溫度高則等待其降至29℃以下，再用紅外線烤燈加熱至29℃后開始計時。

五、實驗結果及分析

（一）氧化石墨烯溶膠的光熱轉換結果分析

我們配制了不同濃度的氧化石墨烯溶膠，測試了氧化石墨烯溶膠的溫度隨時間的變化。結果表明，濃度為5%與12.5%的氧化石墨烯溶膠加熱10 分鐘后，兩者的最終溫度十分相近，所以濃度對氧化石墨烯溶膠經紅外線照射后的最終溫度影響不大。

我們對氧化石墨烯溶膠進行了不同濃度下的粒徑測試，結果表明，5%氧化石墨烯溶膠的粒徑主要分布在2nm至4nm，平均粒徑約為3.6nm；10%氧化石墨烯溶膠的粒徑主要分布在2nm至4nm，平均粒徑約為3.36nm。

所以，氧化石墨烯溶膠的粒徑大小不會因濃度的變化而引起較大改變，這可能也是其光熱轉換效率變化不大的原因。

（二）石墨烯溶膠的光熱轉換效率實驗結果分析

石墨烯溶膠的性質比氧化石墨烯溶膠的更穩定。為了解濃度對石墨烯溶膠光熱轉換效率的影響，我們配制了不同濃度的石墨烯溶膠，測試石墨烯溶膠的溫度隨時間的變化，發現石墨烯溶膠的濃度大小對其溫度的變化影響較大。

我們還測試了不同濃度的石墨烯溶膠的吸光度，發現濃度為0.1%的石墨烯溶膠與濃度為0.2%的石墨烯溶膠吸光度的差值相對較大。說明石墨烯溶膠濃度越大，吸光能力越強。因此，在紅外線的照射下，濃度高的石墨烯溶膠升溫速率比濃度低的石墨烯溶膠升溫速率高，效果更明顯。

我們測試了石墨烯溶膠不同濃度下的粒徑。結果表明，濃度為10%的石墨烯溶膠的粒徑主要分布在8nm 至12nm，平均粒徑為10.9nm；濃度為5%的石墨烯溶膠的粒徑主要分布在5nm 至9nm，平均粒徑為7.089nm。石墨烯溶膠的濃度變化對其平均粒徑的影響較大，推測粒徑變化是影響不同濃度石墨烯溶膠光熱轉換效率的根本原因。

（三）墨汁的光熱轉換效率實驗結果分析

作為一種碳基材料，中國墨的光熱轉換效率明顯高于銅、氧化銅納米顆粒，甚至炭黑。

為了進一步比較中國墨與石墨烯類納米碳材料的光熱轉換效率，我們配制了5%、10%、12.5%三種不同濃度的墨汁溶液，測試其溫度隨時間的變化。結果表明，在同樣的時間內，12.5%的墨汁溶液的溫度最高，可達52.2℃，墨汁溶液的濃度對其溫度的變化影響較大。這是為什么？

我們測試了不同濃度的墨汁溶液的吸光度，發現濃度越大，吸光能力越強。因此，在紅外線的照射下，墨汁溶液的濃度越高，升溫越快。

墨汁的濃度是否影響其粒徑大小，從而影響光熱轉換效率？我們對墨汁溶液進行了不同濃度下的粒徑測試，發現濃度為5%的墨汁溶液粒徑主要分布在39nm 至43nm，平均粒徑為41.43nm；濃度為12.5%的墨汁溶液粒徑主要分布在18nm 至20nm，平均粒徑為19.01nm。可以發現，墨汁溶液的濃度變化對其平均粒徑的影響較大。

六、實驗結論

1.研究了氧化石墨烯溶膠、石墨烯溶膠、墨汁三種納米碳材料的光熱轉換能力。結果表明，在同等條件下，光熱轉換能力大小依次為石墨烯溶膠＞墨汁＞氧化石墨烯溶膠。

2.濃度對石墨烯溶膠與墨汁的光熱轉化效率影響較大，但對氧化石墨烯溶膠的影響很小，納米材料的粒徑大小是影響其光熱轉化效率的根本原因。

3.吸光度的大小是影響碳材料光熱轉化效率的重要因素。氧化石墨烯溶膠的吸光度隨濃度的變化差異較小，石墨烯溶膠的吸光度隨濃度的變化差異較大，導致兩種材料之間的溫度差異較大。