光熱膜：實現太陽光的高效熱轉化

李禾

光熱膜材料在太陽光譜范圍內應具有良好的吸光性，可最大限度吸收太陽光；具有粗糙的多孔表面，可降低對光的漫反射率和損耗，使膜表面能吸收到更多的太陽光；在光熱膜下層設計良好的隔熱層，可降低熱量傳遞，減少能量損失。

由太陽能驅動，通過光熱轉換產生水蒸氣是一種高效、新興的太陽能利用方式，在海水淡化、污水治理等領域具有廣闊的應用前景。但太陽能在到達地球后，能量密度小又不連續，是低品位熱源。將太陽能進行富集，轉換成高品位熱能，就需要利用光熱材料與光熱器件。而目前最具潛力的光熱材料形式之一，就是光熱膜材料。

什么是光熱膜材料？光熱膜材料通常具備哪些特點？除海水淡化外，光熱膜還能應用于哪些領域？帶著這些問題記者采訪了相關專家。

由于水對太陽能的吸收率低，在自然蒸發條件下，太陽能利用率低，蒸發速度比較慢。湖北大學材料科學與工程學院院長王賢保說，普通的太陽能光熱轉換采用的是太陽能集熱管，像太陽能熱水器對太陽光熱的利用效能只有20%。

光熱膜材料被認為是一種吸收太陽能并能將其高效轉換為熱能的膜材料，它是太陽能驅動水蒸發技術的核心。但是在通過光熱轉換產生水蒸氣的過程中，部分光熱能量會不可避免地散失在空氣、水等周圍低溫的環境中。

中國科學院青島生物能源與過程研究所副所長江河清研究員說，光熱膜材料在太陽光譜范圍內應具有良好的吸光性，可最大限度吸收太陽光；具有粗糙的多孔表面，可降低對光的漫反射率和損耗，使膜表面能吸收到更多的太陽光；在光熱膜下層設計良好的隔熱層，可降低熱量傳遞，減少能量損失。光熱膜材料還應具有良好的水傳輸性能，比如具有豐富的親水互連孔隙結構等，以保證水蒸發過程中水輸送供應的順暢。

常見的光熱膜材料大致可分為無機材料、有機材料兩類，無機材料主要包括金屬納米材料，如貴金屬納米顆粒、無機半導體材料、碳基材料；有機材料則包括有機小分子化合物及聚合物材料，如聚吡咯等。

“把無機或有機的光熱材料，經過共混紡絲、表面涂敷、原位改性、材料組裝等工藝環節處理后，就能制備成具有多孔結構的光熱膜。”中國科學院青島生物能源與過程研究所副研究員宋向菊說，在水蒸發過程中，料液中的水經光熱膜孔道的毛細管作用，傳輸到膜表面，處于膜表面的水吸收熱量形成水蒸氣，經冷凝后便可以獲得純凈的淡水。

當前，光熱膜材料在實際應用中，還存在能量損失、成本高、穩定性不足等諸多瓶頸與問題。比如光熱膜材料在光熱轉換過程中會出現熱傳導和熱輻射等情況，導致部分能量損失；某些光熱膜材料在高溫和強光照射下，可能會出現腐蝕或降解，從而影響材料的長期穩定性和壽命。在海水淡化應用中，還存在鹽析現象，也就是說，海水蒸發獲得淡水的同時，凝結出的鹽會吸附在光熱膜表面，降低了膜對光的吸收、熱轉化的效率，從而降低了光熱膜材料的水蒸發性能。

為此，科研人員在光熱材料選擇及膜結構設計上付出了諸多努力。比如為降低能量損失、提高光熱轉化效率，在膜下表面設計隔熱層，同時對光熱膜材料表面微結構，即表面親疏水性、粗糙度等進行調控，一方面減少熱量向水體傳遞，另一方面提高光的吸收率；此外，通過在膜表面構筑涂層或調控膜結構，顯著提高了光熱膜材料的穩定性。

近年來，江河清帶領研究團隊在改善光熱膜的水蒸發性能方面開展了大量科研工作。比如在太陽光驅動水蒸發過程中，水體中的藻類、有機物會在光熱膜中富集生長，造成膜污染，導致膜材料性能下降。團隊為此設計開發了具有催化和光熱特性的鈣鈦礦光熱膜，通過高溫催化降解污染物等，實現了光熱膜的循環再生，延長了光熱膜材料的壽命。此外，團隊還開發了中空纖維陣列光熱膜，可多角度吸收太陽能，顯著提高了太陽光利用效率，提升了水蒸發性能；設計了具有不對稱結構的Janus光熱膜，利用光熱膜下層的親水特性，促進水向膜表面傳輸，同時利用光熱膜表面疏水性，控制表面水的分布，從而控制隨水傳輸的鹽離子在膜邊緣結晶、析出，不但解決了鹽析問題，而且實現了鹽的收集。

國內多家科研單位也在進行光熱膜材料創新工作。比如中國科學院深圳先進技術研究院研究員喻學鋒課題組以天然玄武巖為原料，設計制備出較為便宜、穩定且耐腐蝕的玄武巖纖維光熱膜，在紫外線和近紅外光譜范圍內，該光熱膜顯示出廣泛的吸收性。王賢保團隊將石墨烯氣溶膠制備成一張“薄膜”，可隨波漂浮在水面上。“這種石墨烯膜材料的光熱轉換效率高達94%，而傳統商業光伏電池的能量轉換效率僅有10%～20%。”王賢保說。

除海水淡化外，光熱膜材料在污水處理、空氣加熱和凈化、光催化等多個領域也具有廣泛的應用前景。比如將光熱膜與超濾、納濾、反滲透等傳統分離技術耦合，可開發出新型膜分離技術，利用太陽能對原料水進行加熱，降低水的黏度，促使水快速通過膜，從而實現水與有機物/鹽的有效分離，并降低能耗。

“我們團隊將光熱材料引入聚合物分離膜，開發了兼具光熱和分離功能的復合膜，將其應用于水和染料的分離，顯著提升了水的滲透通量，并降低了能耗，表明其在染料廢水處理中具有較好的應用潛力。”江河清說。

與光熱膜處理污水的技術原理相似，光熱膜還可處理空氣中的污染物。江河清研究團隊已開發出兼具光熱和分離特性光熱膜，將其應用到空氣凈化領域，能有效去除細顆粒物（PM_2.5），同時提升室內溫度，達到提高生活品質的效果。

光熱膜還可應用在光催化、能量存儲、工業加熱等領域。比如利用光熱膜材料的光熱轉化能力，促進熱解和催化反應，可制備出高價值化學品；在電催化領域，利用光熱膜可實現高效電解水制氫等。

宋向菊表示，光熱膜材料的產業化還在不斷發展中，盡管一些先進的光熱膜材料已在實驗室中取得了良好效果，但要將其商業化并廣泛應用于實際生產中，還需要突破技術和經濟上的瓶頸，以確保光熱膜材料的可持續性和可靠性。

光熱膜材料在可再生能源領域具有巨大的潛力，其發展方向將主要集中在材料性能優化、多功能性應用、成本降低等方面。比如通過優化光熱膜結構和組成、引入新的納米材料，提高光熱性能，以適應不同領域的需求；根據光照強度和角度，開發自適應追光的智能光熱膜材料等。“隨著科技的進步，光熱膜材料將在多個領域中發揮更大的作用，為清潔能源和可持續發展作出新貢獻。”江河清說。