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摘 要

开发与利用太阳能成为解决能源短缺问题的途径之一，其中太阳能光热转化是最直接、最高效的一种转化方式。

本实验利用静电纺丝技术制备了聚丙烯腈（PAN）纳米纤维膜，并对PAN进行预氧化和碳化处理，使其变成碳基纤维膜，再对碳基纤维膜进行表面亲水改性处理，提高它的亲水和吸水的能力。采用扫描电子显微镜（SEM）表征纳米纤维的直径、孔结构以及表面形貌；接触角测试仪测量纤维膜的亲疏水能力；傅里叶-红外光谱（FT-IR）研究纤维膜的表面官能团和改性后的化学组成结构变化；紫外-可见吸收光谱研究纤维膜的光吸收率。发现该碳纤维膜光热材料表现出多孔结构、出色的亲水性能以及显著的全光谱吸收。将碳基纤维膜作为太阳能吸收剂，设计界面水蒸发系统完成对模拟海水的水蒸发测试。实验结果表明亲水改性后的PAN碳纤维膜光热材料在1 kW/m²光照强度下，太阳能-蒸汽转化效率高达98.53 ％，表明该材料在太阳能光热转换和海水淡化等领域具有潜在的应用前景。

关键词：静电纺丝 光热转化 PAN纳米纤维 界面水蒸发

Electrospinning preparation of photothermal nanofiber film towards efficient solar steam generation

Abstract

Developing and utilizing solar energy has become one of the important approaches to solve the energy shortage.

In this work, polyacrylonitrile (PAN) nanofiber film was prepared by electrospinning technology, which was then pre-oxidized and carbonized to obtain carbon-based nanofiber film solar absorber. The surface modification was carried out to improve its hydrophilic, water transportation and water retaining capacity. Scanning electron microscope (SEM) was used to characterize the diameter, pore structure and surface morphology of the nanofiber. The hydrophilic and hydrophobic properties of the nanofiber film were measured by the contact angle tester. The surface functional groups and the chemical structure variations of the modified nanofiber film was tested by fourier-infrared (FT-IR) spectrum, and the absorption of the nanofiber film was studied by the UV-visible (UV-Vis) absorption spectrum. The results of the characterizations indicates the carbon-based nanofiber film has a porous structure, excellent hydrophilicity and significant full spectral absorption. The carbon-based nanofiber film was used as solar absorber for interfacial water evaporation measurement. The experimental results show that the light-to-vapor efficiency of the modified PAN fiber film photothermal material was 98.53 % under the light intensity of 1 kW/m², which has potential applications in the fields of solar photothermal conversion and seawater desalination.

Keywords: Electrospinning; Photothermal Conversion; PAN Nanofiber; Interfacial Water Evaporation

目录

第一章 文献综述 1

1.1引言 1

1.2静电纺丝 1

1.2.1静电纺丝原理 1

1.2.2静电纺丝的材料 2

1.2.3静电纺丝应用 2

1.2.4静电纺丝存在问题 2

1.3光热纳米纤维膜 3

1.3.1光热转换机制 3

1.3.2材料类型 4

1.3.3光热蒸发应用 5

1.3.4研究现状 7

1.4本学位论文的研究目的与内容 8

1.4.1研究目的 8

1.4.2研究内容 8

第二章 实验部分 10

2.1实验原料 10

2.2实验仪器及设备 10

2.3实验装置 11

2.4光热纳米纤维膜制备 11

2.5界面水蒸发实验 12

2.6表征方法 12

第三章 结果与讨论 13

3.1静电纺丝制备纳米纤维膜形貌分析 13

3.1.1 PAN纳米纤维膜 13

3.1.2 后处理纳米纤维膜形貌 14

3.2红外光谱（FT-IR）分析 15

3.3紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）分析 16

3.4接触角测量 17

3.5纳米纤维结构和光热水蒸发速率之间的关系 18

第四章 结论 22

参考文献 23

致谢 26

第一章 文献综述

1.1引言

静电纺丝技术是制备超细纤维的常用方法。迄今为止，电纺丝技术和电纺丝纳米纤维在实际应用过程中已经取得了很大的进步，静电纺丝可以实现有机物纳米纤维、无机物纳米纤维以及有机无机复合纳米纤维的制备^[1,2]。电纺聚合物纳米纤维作为典型的纳米材料具有许多独特的优势，包括小尺度效应、大比表面积和高效太阳能吸收等^[3,4]。光热转换能够将清洁太阳能转化为热能，是一种直接转换过程，是获取太阳能的重要途径。高效光热转化的纳米材料具有独特的电子和光学特性，可实现最高的转换效率，在环境净化、水蒸发及催化生产等领域具有广泛应用。

1.2静电纺丝

1.2.1静电纺丝原理

静电纺丝是一种高分子流体静电雾化的特殊形式^[5]。雾化分裂的液滴带电产生射流，然后拉伸和伸长产生纤维。电源可以是直流（DC）或交流（AC）。静电纺丝装置示意图见图1-1。

图1-1. 静电纺丝装置示意图

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