镍黑光热材料的制备及太阳能海水淡化性能研究

论文摘要

水是一切生命的源泉,促进社会经济发展。虽然地球70%的面积被水覆盖着,但供于人类生存的淡水只有2.5%3%,随着人口迅速增长、全球变暖以及越来越严重的水污染,如今整个世界都面临着淡水资源短缺的局面。而近年来,可再生能源作为一种清洁友好的能源,利用可再生能源运行小规模海水淡化装置越来越重要,未来也具有可以为调水困难的沿海城市提供应急补充水源的优势,将太阳能、风能、地热能等可再生能源和海水淡化技术系统结合,是一种解决气候变化和水资源短缺问题的可行方案。与传统的海水淡化方法相比,太阳能海水淡化法是一种清洁、可持续、节能的淡水生产方式。例如,镍黑用于太阳能热水器已经被商业化,但还未应用于海水淡化领域,所以受此启发,本论文对镍黑光热材料的合成过程以及海水淡化性能进行了研究,以期能达到节省能源,减少全球环境污染等问题。本论文首先通过水热合成法,按硝酸镍和六次甲基四胺摩尔比为1:2的比例,在泡沫镍基底（NF）上生长纳米结构的氢氧化镍Ni（OH）2,之后高温处理氢氧化镍-泡沫镍Ni（OH）2/NF复合多孔材料前驱体,探索不同的煅烧温度和时间,使Ni（OH）2转变为不同厚度的氧化镍NiO纳米结构,并对其进行一系列的物性表征和性能测试,以便可以找到最优的煅烧温度和时间,最后通过水热还原法,调控还原剂水合肼的浓度和时间,使NiO/NF还原生成镍黑-泡沫镍Ni-NiOx/NF复合多孔材料。SEM和TEM测试结果表明Ni-NiOX/NF具有两种形貌,是由金属Ni纳米颗粒和具有缺陷的NiOX纳米片状结构组成。一方面,由于金属Ni纳米粒子的等离子体效应和具有缺陷的NiOX引起的表面载流子迁移,Ni-NiOX/NF具有很高的太阳吸收能力,吸收率达到90.31%;另一方面,它具有较低的导热系数,使得从泡沫镍层到下方大量水体的热传递最小化,有利于局域高温的产生,而且制备的Ni-NiOx/NF由于具有较高的接触角,可以在没有任何材料的情况下自浮在水面上,具有了在水面自我持续界面加热的能力,从而提高了光热转换效率,其泡沫镍基底的高孔隙率不仅实现了高的光捕获能力,还可以促使流体流动到结构中,以补充表面水蒸发。种种的优势使得Ni-NiOx/NF的平均蒸发速率达到了1.41kg m-2h-1,平均太阳光热转换效率约为93.88%,最优样品的蒸发速率为1.45 kg m-2h-1,太阳能转换效率为96.30%,并且所得材料Ni-NiOx/NF对渤海海水的淡化效果明显,每种离子的浓度降低了约3个数量级,均低于世界卫生组织（WHO）和美国环境保护署（EPA）的标准,并且通过循环稳定性能测试表明,不论在海水还是淡水中都具有较好的稳定性和较高的蒸发率。所以本论文展示了一种高效太阳能海水蒸发材料,能够最大限度地利用太阳能,并将热能损失最小化,可大规模应用于海水淡化领域,大幅度解决淡水资源匮乏的问题。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 引言

1.2 太阳能海水淡化技术的发展

1.2.1 传统海水淡化方法及局限性

1.2.2 太阳能海水淡化技术的研究进展

1.3 光热转换材料概述

1.3.1 金属等离激元的光热转换材料

1.3.2 半导体类光热转换材料

1.3.3 碳基类光热转换材料

1.3.4 有机高分子类光热转换材料

1.4 用于界面加热的太阳能光热转换复合材料

1.4.1 太阳能光热转换复合多孔纳米材料的性质

1.4.2 太阳能光热转换复合多孔纳米材料的应用

1.5 论文的选题依据与主要研究内容

1.5.1 论文的选题依据

1.5.2 论文的主要研究内容

第2章实验原理和方法

2.1 实验中所需要的化学试剂与仪器

2.1.1 实验药品

2.1.2 实验仪器

2.2 光热材料物理性能表征

2.2.1 X-射线衍射（XRD）

2.2.2 场发射扫描电子显微镜（SEM）

2.2.3 透射电子显微镜（TEM）

2.2.4 X-射线光电子能谱（XPS）

2.2.5 固体紫外-可见光-近红外吸收光谱（UV-Vis-NIR）

2.3 太阳能海水淡化性能表征

2.3.1 氙灯导热仪（DXF）

2.3.2 差示扫面量热仪（DSC）

2.3.3 接触角分析仪

2.3.4 电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）

2.3.5 蒸发速率测试

x/NF光热材料的制备和表征'>第3章镍黑Ni-NiO_x/NF光热材料的制备和表征

3.1 引言

3.2 实验部分

2纳米材料的制备'> 3.2.1 泡沫镍基长有氢氧化镍Ni（OH）₂纳米材料的制备

3.2.2 泡沫镍基长有氧化镍NiO纳米材料的制备

x纳米材料的制备'> 3.2.3 泡沫镍基长有镍黑Ni-NiO_x纳米材料的制备

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 样品的晶体结构分析（XRD）

3.3.2 样品的场发射扫描电子显微镜（SEM）分析

3.3.3 样品的元素组成和价态分析（XPS）

3.3.4 透射电子显微镜（TEM）分析

3.3.5 样品的光学性能（UV-Vis-NIR）分析

3.4 本章小结

x/NF光热材料用于太阳能海水淡化性能研究'>第4章镍黑Ni-NiO_x/NF光热材料用于太阳能海水淡化性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 太阳能蒸发水质量变化测试

4.2.2 光热转换性能测试和太阳能海水淡化实验

4.2.3 太阳能海水淡化实验

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 样品的导热系数分析

4.3.2 样品的接触角分析

4.3.3 样品的红外成像温度变化

4.3.4 样品的蒸发水性能测试及光热转换效率

4.3.5 样品的稳定性分析及海水淡化性能分析

4.4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴丹丹

导师: 孙再成

关键词: 太阳能海水淡化,光热转换,界面加热

来源: 北京工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,材料科学

单位: 北京工业大学

基金: 国家自然科学基金

分类号: P747;TB383.4

DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000721

总页数: 89

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