有机光热材料构筑及其水资源净化和能源转换性能研究

有机光热材料能将吸收的光能以非辐射跃迁形式产热，在海水淡化、污水处理、温差发电等方面具有巨大的应用潜力，能够有效地将太阳能转化为热能，对环境友好，受到越来越多的关注。太阳辐射波段主要包括：250～400nm 的紫外光（能量：7.0%）、400～760nm 的可见光（能量：50.0%）以及760～ 2500nm 的近红外光（能量：43.0%）。为了最大限度地利用太阳能，以下两个因素至关重要：①材料的吸收光谱不仅要覆盖可见光范围，还要覆盖近红外（NIR）区域，从而与太阳光谱很好地匹配；②材料吸收的太阳能应通过非辐射跃迁过程有效地转化为热能，而不是通过辐射跃迁过程转化为荧光。现阶段有机光热材料光吸收在太阳光谱的覆盖率相对较窄，因其窄带隙特征对分子结构要求很高，另外光热转换效率的提升非常依赖于聚集态分子的相互作用，难以调控，因此高效太阳能-热能转换有机光热材料的开发依然是研究重点。
经过众多研究学者的努力，到目前为止已经开发出多种高性能有机光热材料，并应用于水资源净化和能源转换等方面。本书作者在国家自然科学基金青年科学基金项目、黑龙江省优秀青年基金、黑龙江省重点研发计划及黑龙江省博士后特别资助等项目支持下，对有机光热材料结构设计及国内外应用现状、光物理特性、稳定性、不同环境下的水纯化及热-电转换性能研究做了大量的探讨。
本书在写作过程中，参阅了国内外多位学者的研究结果及所撰写的论文、专著等，并在章末参考文献中予以列出，得到东北林业大学多位教师和研究生，以及化学化工与资源利用学院诸位领导和专家的大力支持和帮助，在此深表感谢。
由于著者学识水平有限，书中不足和疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。

贾涛
2023年7月于哈尔滨

《有机光热材料构筑及其水资源净化和能源转换性能研究》共5章，瞄准世界科技前沿的热点、难点和新兴领域，面向“双碳”目标下开发新能源材料的重大需求，阐述了太阳能-热能高效转换有机光热材料的设计思路，明晰了分子结构与光吸收范围、光热转换效率之间的构效关系，阐明了现阶段有机光热材料吸收太阳光覆盖率低和光热转换效率难调控的问题，并将此类材料应用于太阳能驱动的水蒸发与热-电转化领域，明确了有机光热材料在太阳能-热能转换器件中对蒸发水性能、发电功率的关键因素。《有机光热材料构筑及其水资源净化和能源转换性能研究》可供有机光电新材料研制、能源转换器件设计及水资源净化技术开发的科研人员和技术人员阅读，也可供高等院校相关专业师生参考或作为教学参考书目。

贾涛，东北林业大学/化学化工与资源利用学院，副教授。教育经历2010-09至2015-07, 吉林大学超分子材料与结构国家重点实验室，有机化学，博士学位 导师：王悦 教授；2006-09至2010-07, 吉林大学化学学院，化学，学士学位。工作经历2019-08至现在, 东北林业大学, 化学化工与资源利用学院，副教授；2017-07至2019-07, 东北林业大学, 理学院化学化工系，副教授；2015-08至2017-06, 新加坡南洋理工大学，化学与生物工程学院，博士后。东北林业大学 化学化工与资源利用学院 副教授 博士生导师，黑龙江省化学会理事，黑龙江省优秀青年学者。从事天然产物提取分离、生物能源器件、生物成像及抗癌药物研发等领域的研究。主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后面上项目、黑龙江省重点研发项目、黑龙江省留学回国人员择优资助等 多项基金项目，总计两百余万元。目前在国际著*名期刊Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Energy Mater，Adv. Funct. Mater., Chem Eng J., Cryst. Growth Des，J. Mater. Chem，Sol. Energ. Mat. Sol. C，Mol. Pharmaceutics等发表SCI论文三十余篇，申请发明专利五项。担任：《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》、《Soft Matter》和《高等化学学报》等期刊的审稿人。

0绪论 1
0.1引言1
0.2海水淡化3
0.2.1传统海水淡化技术的发展历程4
0.2.2我国传统海水淡化技术的应用现状5
0.2.3我国传统海水淡化技术所面临的问题5
0.3热电转换6

1有机光电材料基本知识 12
1.1太阳能光热材料12
1.1.1金属基材料14
1.1.2无机半导体材料18
1.1.3碳基材料21
1.1.4有机材料26
1.2光热转换的基本原理30
1.2.1金属中的等离激元局域加热31
1.2.2半导体中的非辐射弛豫31
1.2.3分子中的热振动32
1.3光热转换材料的结构设计32
1.3.1光捕获表面的结构设计32
1.3.2构筑垂直排列孔道33
1.3.3增加冷蒸发侧面36
1.3.4太阳能驱动界面蒸发系统的加热方式38
1.4热管理方法43
1.4.1微观热管理44
1.4.2宏观热管理44
1.5水通道设计45
1.6高效水蒸发系统47
1.7蒸发体载体材料51
1.7.1纺织材料52
1.7.2泡沫材料58
1.7.3纤维素纸材料60

2酞菁基光热材料的基本性质研究 62
2.1引言62
2.1.1研究意义66
2.1.2研究内容66
2.2结构设计67
2.3酞菁基光热材料光物理特性研究67
2.3.1光吸收特性研究67
2.3.2发光特性研究68
2.4酞菁基光热材料光热特性研究69
2.4.1激光下光热性质研究69
2.4.2太阳光下光热性质研究71
2.5酞菁基光热材料热稳定性研究73
2.6基于酞菁的太阳能蒸发体构筑和水蒸发性能研究74
2.7载体材料的性质研究74
2.7.1输水能力74
2.7.2储水能力75
2.8PU 4OCSPC材料的制备76
2.9PU 4OCSPC基本性质研究76
2.9.1PU 4OCSPC表观形貌分析76
2.9.2PU 4OCSPC光吸收特性分析76
2.9.3PU 4OCSPC热导率分析77
2.10PU 4OCSPC光热性能研究78
2.11PU 4OCSPC水蒸发性能研究79
2.12PU 4OCSPC海水淡化性能研究81
2.13基于酞菁的太阳能蒸发体的水电联产一体化器件研究82
2.14热电器件的制备83
2.15热电转换性质研究83
2.16一体化水电联产装置设计85
2.17一体化装置水蒸发性能研究85
2.18一体化装置热电转换性质研究86
2.19小结87

3融合电子供体-受体结构有机光热材料构建及性质研究 89
3.1引言89
3.1.1研究意义91
3.1.2研究内容91
3.2结构表征92
3.3理论计算93
3.4DDHT理化性质研究95
3.5DDHT光热性能分析97
3.6基于DDHT的太阳能蒸发体制备与性能研究101
3.6.1DDHT/wood蒸发体的制备102
3.6.2DDHT/wood蒸发体理化性质研究102
3.6.3DDHT/wood蒸发体光热性能分析104
3.6.4DDHT/wood蒸发体水蒸发性能研究105
3.7DDHT/wood太阳能蒸发体水电联产一体化研究109
3.7.1热电转换器件的制备109
3.7.2热电转换性质研究109
3.7.3水电联产一体化装置制备111
3.7.4一体化装置性能研究112
3.8小结113

4喹吖啶酮基光热材料构筑及性质研究 115
4.1引言115
4.2喹吖啶酮类有机材料117
4.3喹吖啶酮基光热材料光物理性质研究119
4.4理论计算122
4.5结构性质123
4.5.1单晶生长方法123
4.5.2晶体结构分析123
4.6光热性能124
4.6.1太阳能光热性能124
4.6.2激光光热性能127
4.7热稳定性129
4.8喹吖啶酮基太阳能蒸发体构筑129
4.8.1蒸发体制备方法130
4.8.2太阳能蒸发体形貌表征130
4.9喹吖啶酮基太阳能蒸发体性能研究及应用132
4.9.1吸收性能132
4.9.2光热性能132
4.9.3水蒸发性能133
4.9.4海水淡化应用135
4.10喹吖啶酮基热电转换器件构筑136
4.10.1热电转换器件制备方法137
4.10.2水电一体化器件制备方法137
4.11DCN-4CQA@TE器件性能研究138
4.11.1热电转换性能138
4.11.2稳定性能141
4.12水电一体化器件性能研究142
4.12.1水蒸发性能142
4.12.2热电转换性能142
4.13小结143

5具有分子内运动增强光热效应的GDPA-QCN的合成及性质研究 145
5.1GDPA-QCN的合成路线及表征145
5.1.1合成路线146
5.1.2表征147
5.2GDPA-QCN太阳光-热转换机制研究150
5.2.1理化性质研究150
5.2.2理论计算研究152
5.3GDPA-QCN光热特性研究155
5.4GDPA-QCN构筑太阳能光热蒸发层及其性能研究157
5.5GDPA-QCN纤维素纸的制备157
5.6GDPA-QCN纤维素纸基本性能的研究158
5.7GDPA-QCN纤维素纸光热性能研究160
5.8GDPA-QCN纤维素纸水蒸发性能研究161
5.9GDPA-QCN纤维素纸真实海水淡化研究163
5.10GDPA-QCN构筑热电转换系统及其性能研究164
5.10.1GDPA-QCN热电器件的制备165
5.10.2冷热端温度165
5.10.3开路电压166
5.10.4器件稳定性167
5.11GDPA-QCN纤维素纸水电联产装置的制备及性能研究167
5.12小结169

参考文献 171

《有机光热材料构筑及其水资源净化和能源转换性能研究》共5章，瞄准世界科技前沿的热点、难点和新兴领域，面向“双碳”目标下开发新能源材料的重大需求，阐述了太阳能-热能高效转换有机光热材料的设计思路，明晰了分子结构与光吸收范围、光热转换效率之间的构效关系，阐明了现阶段有机光热材料吸收太阳光覆盖率低和光热转换效率难调控的问题，并将此类材料应用于太阳能驱动的水蒸发与热-电转化领域，明确了有机光热材料在太阳能-热能转换器件中对蒸发水性能、发电功率的关键因素。《有机光热材料构筑及其水资源净化和能源转换性能研究》可供有机光电新材料研制、能源转换器件设计及水资源净化技术开发的科研人员和技术人员阅读，也可供高等院校相关专业师生参考或作为教学参考书目。

贾涛，东北林业大学/化学化工与资源利用学院，副教授。教育经历2010-09至2015-07, 吉林大学超分子材料与结构国家重点实验室，有机化学，博士学位 导师：王悦 教授；2006-09至2010-07, 吉林大学化学学院，化学，学士学位。工作经历2019-08至现在, 东北林业大学, 化学化工与资源利用学院，副教授；2017-07至2019-07, 东北林业大学, 理学院化学化工系，副教授；2015-08至2017-06, 新加坡南洋理工大学，化学与生物工程学院，博士后。东北林业大学 化学化工与资源利用学院 副教授 博士生导师，黑龙江省化学会理事，黑龙江省优秀青年学者。从事天然产物提取分离、生物能源器件、生物成像及抗癌药物研发等领域的研究。主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后面上项目、黑龙江省重点研发项目、黑龙江省留学回国人员择优资助等 多项基金项目，总计两百余万元。目前在国际著*名期刊Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Energy Mater，Adv. Funct. Mater., Chem Eng J., Cryst. Growth Des，J. Mater. Chem，Sol. Energ. Mat. Sol. C，Mol. Pharmaceutics等发表SCI论文三十余篇，申请发明专利五项。担任：《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》、《Soft Matter》和《高等化学学报》等期刊的审稿人。