南开大学ACS Nano: 基于石墨烯的用于海水淡化和净化的独立太阳能转换器

【引言】

太阳能是地球上所有能源的真正来源和最终的来源。作为可再生能源和清洁能源的最丰富和可持续的来源，太阳能可用于光伏，光催化和太阳能热转换等多种工艺。对于太阳能热转换而言，收集太阳能转化为热能对发电，住宅供热，海水淡化和污水处理等多种应用起到了重要作用。在这方面，虽然已经取得了很多进展和很多方法，但是它们中的大多数仍然面临着以更简单的结构实现更高的效率，改进的可扩展性和更低的成本的挑战。最近，已经提出金属纳米颗粒如金，氧化铝和其他纳米颗粒用于在太阳辐射下产生蒸汽和清洁水。然而，高成本，复杂的制造工艺和潜在的安全问题已经限制了其可能的实际应用。因此，近年来，碳材料引起了很大的兴趣，部分原因在于其低成本和高效的宽带吸收，这是实现高效太阳能-热转化和水净化应用的最重要的要求。由石墨烯（GO）大规模获得的3D交联聚合物石墨烯材料（3DGraphene）由于其多维/规模的纳米/微米结构已经表现出许多基于石墨烯的优异性能，例如超弹性，在环境条件下的氨合成。近日，有学者基于石墨烯用于海水淡化和净化的独立太阳能转换器进行研究。结果表明，由此制备的大块三维交联蜂窝状石墨烯材料具有极高的特定水生产率、能源效率、黑体吸收率和对环境的热损失极低等。展示了一种高效和可扩展的海水淡化（四级盐度递减）和污水处理装置。

【成果简介】

近日，南开大学的陈永胜教授（通讯作者）等在ACS Nano上发表了题为“Graphene-Based Standalone Solar Energy Converter for Water Desalination and Purification”的研究论文，报道了基于石墨烯的用于海水淡化和净化的独立太阳能转换器的最新研究进展。

研究人员向我们展示了一个极其简单和独立的太阳能转换器，它仅由一个预制的3D交叉连接的蜂窝石墨泡沫材料组成，没有任何其他的辅助组件。这种简单的一体化材料可以作为一种理想太阳能热转换器，能够捕获太阳光并转化为热量，从而将来自各种水源的水分蒸发并在环境条件下产生纯净水，太阳能通量也非常低、高效率。这种可伸缩的材料被用于在环境条件下从海水和污水中获得纯净的饮用水。研究结果表明，通过使用一个简单的、可利用的、低成本的太阳能热水净化系统，在各种环境条件下，一个性能良好的单片材料平台为净化水提供了范例的改变。

【图片导读】

图-1. 3D石墨烯材料的太阳能热性能

(a) 3DG的吸收光谱。插图的左侧部分是显示其多孔形态的SEM图像；插图的右半部分是显示它是超亲水性的接触角；

(b) 左边是在1 kWm^-2的太阳辐射和没有光照的情况下有/无3DG的水的蒸发量；中间是蒸汽产生和温度分布（横截面）的3DG的示意图；右边部分是垂直和侧视1 kWm^-2以下的红外图像；

(c) 不同材料的具体水生产率(水产量/重量3DG)图像；

(d) 3DG在一定光学浓度范围内蒸发过程的太阳能热效率图像；

(e) 在10kWm ^-2以下太阳能照射下，3DG在不同水量下的性能图像；

(f) 3DG在1 kWm ^-2和10 kWm ^-2太阳能照射下重复使用20次的图像。

图-2. 3DG在不同波长范围内的太阳热性能

(a) 在可见光的不同波长下产生蒸汽的光学图像；

(b) 650nm单色光波长下不同光学浓度下的效率（左侧轴）和相应的水分蒸发速率（右侧轴）图像；

(c) 在可见光和红外光的1次太阳辐射下，3DG的水蒸发质量损失图像；

(d) 在100W微波（2450MHz）下用3DG测量水的蒸发质量损失图像。

图-3. 高性能机制和建模

(a) 3DG结构在蒸汽发生过程中的能量平衡和传热图像；

(b) 在蒸汽生成过程中放大3DG的热环境图像；

(c) 实验蒸汽发生效率与3DG的不同厚度（模拟石墨烯层）图像。

图-4. 在自然阳光下清洁水源和户外性能

(a) 脱盐前后Na⁺，K⁺，Mg²⁺和Ca²⁺的盐度（离子重量百分比）图像；

(b) 太阳能照明下的3DG污水处理性能图像；

(c) 24小时持续测量太阳通量和清洁水的生成图像。记录一整天（0：00-24：00）的环境太阳通量（红线），使用开放设备产生的蒸汽量（蓝线）和使用覆盖设备的冷凝水（绿线）。

【小结】

本文通过由一种基于石墨烯的石墨烯材料（3DG）直接制备的一个独立的太阳能热转换器。研究结果表明，一个简单的独立石墨烯泡沫片可以作为有效的太阳能热捕获和转换装置。在正常（1个太阳）甚至更弱的阳光下（低至0.25个太阳），3DG材料可以以简单和可扩展的方式直接用作高效率的清洁水发生器。此外，与其他海水淡化材料不同，轻质弹性材料也非常便于使用，非常适合个人和工业应用。这种易于使用的碳材料可以为高效太阳能收集和简化水处理的应用机会提供许多可能性。

文献链接： Graphene-Based Standalone Solar Energy Converter for Water Desalination and Purification (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b08196)

本文由材料人编辑部新人组 胡爽 编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！