高效协调纳米碳气凝胶：探索电力与太阳能驱动热管理

【背景介绍】

纳米碳气凝胶已被广泛用作吸附，催化，燃料净化，能量存储和传感方面的高性能功能材料。 近来，基于纳米碳的气凝胶在脱盐和太阳能蒸汽蒸发应用方面也显示出了巨大的前景，这对于开发新的清洁水技术至关重要。重要的是，纳米碳气凝胶还发现越来越多地用作稳定3D支持框架，以用于不同类型的功能纳米颗粒，以形成装饰性的杂化纳米碳气凝胶。

纳米碳气凝胶也已经被反复研究为用于太阳能蒸发的太阳能热转换材料，这是一种对水脱盐，液相分离和灭菌应用非常重要的新兴技术。在这些研究中，热量是通过吸收太阳光产生的。吸收光时产生的热量可用于促进水蒸发（产生太阳能蒸汽）。这种方法通常需要多孔的太阳能热转换材料，这些材料可能会漂浮在水面的顶部，这样太阳辐照产生的热量就可以直接促进水的蒸发，从而总体上减少了工艺时间并降低了能源成本。因此，纳米碳气凝胶因其有效的光吸收（导致出色的热转换效率），超低密度（允许它们漂浮在储水器顶部），高孔隙率（使水蒸气能够逸出）而成为太阳能蒸发的理想选择通过太阳能转换材料）和出色的物理化学稳定性（可重复使用）。

【科研摘要】

纳米碳气凝胶显示出出色的电和太阳能加热效率。但是，关于它们的微观结构和加热性能之间的关系知之甚少。最近，英国利兹大学Dong Xia，Robert Menzel等研究人员分别通过冰模板（IT）和乳液模板（ET）方法合成了两种不同类型的碳纳米管（CNT）气凝胶，这引起了内部微观结构，交联密度和孔隙率。这些结构差异会导致气凝胶电加热的效率差异很大（例如，对于rET-CNT气凝胶为46°C/W，对于rIT-CNT气凝胶为75°C/W）。从纳米碳类型，包膜密度和纳米碳石墨方面对纳米碳气凝胶微观结构进行系统比较，焦耳加热效率与气凝胶的热导率高度相关，其中热导率较低的气凝胶表现出较高的焦耳加热效率。在太阳热气凝胶加热中也观察到这种关系，与rET-CNT气凝胶相比，导热系数最低的气凝胶（rIT-CNT气凝胶）在太阳能水蒸发中的效率高30％。这些结果表明，仅通过结构控制就可以容易地调节和增强纳米碳气凝胶的加热性能。这些发现为纳米碳气凝胶的设计提供了新的视角，适用于涉及电热或太阳热的应用，例如取决于温度的分离，吸附，传感和催化。相关论文以题为''Tuning the Electrical and Solar Thermal Heating Efficiencies of Nanocarbon Aerogels''发表在《材料化学》上。

【图文解析】

为了研究微观结构对气凝胶导热性的影响，分别通过冰模板（IT）和乳液模板（ET）的制造方法合成了两种对比的CNT气凝胶（rIT-CNT气凝胶和rET-CNT气凝胶，如图1所示）。图1a）。扫描电子显微镜（SEM）成像证实，这两种CNT气凝胶表现出非常不同的内部微观结构（图1b，c）。尽管rIT-CNT气凝胶存在一些较大的，微米级的囊袋，可能是由于气凝胶合成过程中形成冰晶所致，但其主要结构特征是高度缠结的纳米管具有相对致密的连续3D网络（图1c）。

图1.（a）通过聚合物辅助的冰模板（rIT-CNT气凝胶）和聚合物辅助的乳液模板（rET-CNT气凝胶）合成纳米碳气凝胶的示意图。（b，c）rET-CNT气凝胶和rIT-CNT气凝胶的微结构，通过SEM成像（从整体气凝胶样品的核心区域采样）。（d，e）rET-CNT气凝胶和rIT-CNT气凝胶中主要孔类型的尺寸分布，通过SEM成像确定。（f）穿过气凝胶的氮气压降与两种气凝胶的气体速度的函数关系，用于提取通过平面的气体渗透率值。（g）rIT-CNT气凝胶和rET-CNT气凝胶的全平面气体渗透性（在N2气氛中）。

为了定量测量焦耳加热特性，使用定制的焦耳加热装置对气凝胶进行电学测量（图2a）。在200°C小心预处理后，对所有样品进行了研究，以去除纳米碳表面的吸附剂（水，环境挥发性杂质），以确保焦耳热测量的可重复性。预处理后，两种气凝胶在高达0.5 A的电流和20 V的电压下均显示出高度线性的I–U特性，这证实了气凝胶在所研究的电流-电压范围内表现为欧姆电阻。该文研究的电流-电压范围内，观察到电阻性气凝胶焦耳加热到185°C。在此温度范围内，气凝胶仅显示出相对较小的电阻率变化（在室温和185°C之间变化小于20％，图2b）。有趣的是，气凝胶电阻率随温度的升高而降低，表明其为半导体型行为。

图2.（a）纳米碳气凝胶焦耳加热装置的示意图。（b）rET-CNT和rIT-CNT气凝胶的电性能：电导率和相对电阻率是焦耳加热温度的函数。（c）通过电流阶跃实验对rET-CNT和rIT-CNT气凝胶的焦耳加热特性进行描述：稳态焦耳加热核心温度随电功率的变化而变化。（d）rET-CNT和rIT-CNT气凝胶在2 W时的焦耳加热循环。（e）焦耳加热动力学：气凝胶芯温度随时间增加。（f）自然冷却动力学：气凝胶核心温度随时间降低。

为了评估加热效率，在不同的电源输入下测量了气凝胶的稳态焦耳加热温度（P=I×V，图2c）。产生的焦耳加热曲线表明焦耳加热效率有实质性差异（此处定义为每个电功率输入的温度升高dT/dP）。在这些温度条件下，气凝胶的焦耳加热特性的稳定性和可重复性可以通过高度可重复的焦耳加热循环得到证实（图2d）。还观察到两种气凝胶样品的焦耳加热速率不同。在“接通”电加热电流（设置为2 W的恒定功率输入）后随时间监控焦耳加热温度时，两种气凝胶均显示极快的加热动力学（最高300°C / min），与rIT-CNT气凝胶相比，rET-CNT气凝胶的焦耳加热略快（图2e）。由于纳米碳骨架具有出色的导热性，一旦“关闭”了加热电流，两种气凝胶都可以非常快地冷却至室温（冷却速率高达320°C/min，图2f）。

在输入功率为2 W的情况下，对这些附加气凝胶样品进行焦耳加热实验，以测量稳态焦耳加热特性。如预期的那样，另外四种气凝胶在焦耳加热效率方面显示出明显的差异。但是，它们的焦耳加热效率与关键的气凝胶特性（例如电导率或包络线密度）不相关（图3a，b）。然而，将焦耳加热效率绘制为导热系数的函数时，就会出现非常明显的相关性（图3c）。上述热导率与焦耳加热效率之间的反比关系得到了证实，并且可以通过减少热导率较低的气凝胶中向环境的热传递来定性解释。

图3.气凝胶焦耳加热效率与不同理化气凝胶特性的关系。（a）焦耳加热效率与气凝胶电导率的关系图。（b）焦耳加热效率与气凝胶包膜密度的关系图。（c）焦耳热效率与气凝胶导热率之间的线性关系。

热气凝胶电导率的差异对于调整纳米碳气凝胶在其他与加热相关的应用中的功能性能也很重要。例如，研究了rET-CNT气凝胶和rIT-CNT气凝胶作为用于太阳能蒸汽发电应用的太阳热转换材料（STCM）。rET-CNT和rIT-CNT气凝胶具有出色的STCM特性。两种气凝胶在整个太阳光谱中均表现出高效的吸光度（200至2000 nm之间的吸光度超过94％），从而确保了很高的太阳热转换效率（图4a）。如上所述，它们表现出明显不同的热导率（rET-CNT气凝胶的热导率高60％）。为了评估这种差异对太阳能加热的影响，将圆柱形的rET-CNT和rIT-CNT气凝胶放置在玻璃表面上，并通过顶部的光辐射进行加热（一个太阳模拟器，见图4b）。

图4.（a）rIT-CNT气凝胶和rET-CNT气凝胶的太阳吸收。（b）在一次太阳照射下（从顶部照亮的气凝胶），从气凝胶的顶表面到气凝胶的中间表面的太阳热加热温度下降。（c）使用rCNT气凝胶膜在储水罐上进行太阳能蒸汽产生实验。（d）在一次阳光照射下，rET-CNT和rIT-CNT气凝胶的太阳蒸汽产生性能：纯水，含rIT-CNT气凝胶的水和水随时间的水量变化（归一化到水库的表面积） 使用rET-CNT气凝胶（插图显示了储水罐顶部气凝胶膜的数码照片）。（e）在一次阳光照射下不同纳米碳基太阳能蒸发器的太阳能蒸汽水蒸发速率。

对于太阳蒸汽蒸发实验，气凝胶膜浮在储水罐上，从顶部照射，然后通过计算机控制的天平监控由于水蒸发而导致的重量损失（图4c）。在一次阳光照射下对水蒸发进行监测表明，rIT-CNT气凝胶在水蒸发率为0.78 kg·m-2·h-1的情况下确实表现出最佳的太阳能蒸汽产生性能，即，水蒸发效率比水蒸发效率高30％。rET-CNT气凝胶比纯水高三倍（图4d）。

参考文献：

10.1021/acs.chemmater.0c04166