ASC Nano：垂直排列的石墨烯膜用以高效光热清洁水

【引言】

随着现代工业的飞速发展，水污染问题日益突出。高效地利用太阳能从海水或者工业用水中提取清洁的水是一种解决水源短缺的有效方式。利用太阳能的脱盐作用，从海水中蒸发获得水蒸气成为现今研究的热点。传统的光热转换材料包括利用铝颗粒自组装形成的三维多孔阳极铝材料，聚吡咯沉积形成的不锈钢网，气流诱导形成的金纳米颗粒膜等。然而在实际应用过程中，光热转换材料应该能够容易地扩大化制备，在注入有机质、强腐蚀酸和/或碱液中能够稳定存在的特点。因此，3D石墨烯材料由于其多孔、杰出的光吸收性能，出色的光电转换以及在许多极端条件下稳定的特点受到重视。

 【成果简介】

 北京理工大学曲良体教授课题组利用一种能够大规模推广制备的方法合成了均匀直立排布的石墨烯薄膜（VA-GAM）。这种薄膜能够满足光热的产生，垂直排布的通道能够释放水蒸气。氧气等离子进一步亲水化薄膜表面，加上薄膜对太阳光全谱（250 nm- 2500 nm）的充分吸收，使之具有高效的光热转换效率。一个太阳单位下的转换效率高达86.5%，四个太阳照射单位下的效率高达94.2%。

【图文导读】

图1. 薄膜的制备流程

制备和 表征VA-GSM的流程图如上所示。

（a）氧化石墨烯（GO）分散在少量乙醇中。

（b）在PTFE磨具中定向对GO进行冷冻干燥。模具放在在液氮表面来诱导从下至上的冷冻方向。

（c）经过冷冻干燥和热处理之后得到的VA-GSM。

（d）16 cm*16 cm尺寸的整块VA-GSM图片。

（e-i）不同标尺下的VA-GSM图。

图2.VA-GSM的光学表征

（a-c）在（a）还原氧化石墨烯（rGO）薄膜，（b）构造混乱的还原氧化石墨烯泡沫(rGOF-DS) 以及（c）VA-GSM用以输送太阳能水蒸气的水通道的机理示意图。

（d）rGO薄膜，rGOF-DS以及VA-GSM在波长范围为250-2500 nm 处的吸收光谱。

（e）rGO薄膜，rGOF-DS以及VA-GSM在一个太阳单位下的水质量变化。在（e）中插入部分是利用模拟实验步骤来展示太阳能蒸发形成水蒸气的过程。所有的实验都在室温25 ºC，湿度是22%。

（f）VA-GSM与先前文献中报道过的没有用热绝缘层辅助制备的材料的光热转换效率的比较。

图3.光热蒸汽流产生过程的表征

太阳能水蒸气在有热绝缘层条件下生成的流程示意图。聚乙烯泡沫在整个水面上漂浮，亲水的中空玻璃纤维用来向热源输送谁。

（b）在有热绝缘层的VA-GSM中的水经过一个太阳单位60min的照射之后的温度。

（c）在不同光照强度下的水和VA-GSM中水质量的变化。

（d）c中经过计算所得的不同光照强度下的VA-GSM的光热转换效率，(c)、(d)中的误差棒指示了测量过程中的标准误差。

（e）是在四个太阳单位下的可见光蒸汽流产生。

（f）VA-GSM与其他文献中报道过的材料在绝热材料层下的光热蒸汽流的产生效率。

图4    光热转换过程中海水中离子的变化

（a）海水在四个太阳单位光强下的时间质量变化图。

（b）在太阳热净化之前（原始）和之后的真实海水（渤海）样品中五种离子的测量浓度。

（c）在经历光热纯化后的海水样品中的离子衰退。

（d）在海水纯化前后五种酸溶液中H⁺的浓度。样品编号1-5对应了H⁺的原始浓度：0.2,2,4,6,8 molL^-1。

（e）在光热纯化前后五种碱溶液里的OH^-浓度。编号1-5对应的浓度分别为0.2,2,4,6,8 molL^-1。（f）光热纯化前后模拟海水中五种金属离子：Cr³⁺ ，Pb²⁺， Zn²⁺， Ni²⁺ 以及 Cu²⁺ 的浓度。

【小结】

课题组通过利用可扩大的不需辅助的冷却方法制备了能够均匀分布的VA-GSM。这种自支撑的薄膜具有能够促进水运输的通孔通道，光热转化的高光吸收容量，在严酷环境中出色的稳定性，保证了在海水，常见污水甚至是酸碱溶液中高效地光热转换过程。VA-GSM在一个太阳单位下能够达到86.5%的转换率，在四个太阳单位下能够达到94.2%。

原文链接：Vertically Aligned Graphene Sheets Membrane for Highly Efficient Solar Thermal Generation of Clean Water （ACS NANO，2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b01965 ） 

本文由材料人新能源学术组东海木子供稿，材料牛整理编辑。

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