山東第一醫科大學李晨蔚團隊Adv. Sci.：3D組裝粘土/石墨烯氣凝膠用于連續太陽能除鹽和有機溶劑吸收

成果導讀01

淡水是生命的源泉，對人類的生存和發展具有重要意義。雖然水是地球上最豐富的資源，但海水占總水資源的96.5%，而人類可以直接消耗的淡水資源比例不到0.36%。而且，隨著工業化的快速發展，工業含油廢水數量的增加和有機溶劑的泄漏也使淡水短缺的問題更加嚴重。由于傳統的海水淡化技術造成的環境污染和能源消耗，不適合欠發達和資源貧乏的地區。近年來，新開發的太陽能界面蒸發技術引起了廣泛關注。由于其可以將熱能限制在水-空氣界面，因此有效地提高了太陽能蒸發效率。但太陽能脫鹽過程中，由于蒸汽的快速產生導致了局部鹽水濃度顯著增加，最終導致了鹽在裝置表面結晶。結晶鹽不僅嚴重影響了陽光的吸收，降低了光熱轉換效率，而且還阻礙了供水和蒸汽的孔道，最終導致蒸發性能顯著下降。因此，構建可連續、高效處理高濃度鹽水的太陽能蒸發裝置是一個巨大的挑戰。

成果介紹02

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針對以上挑戰，山東第一醫科大學李晨蔚教授、丁美春副教授與中科院化學所劉琛陽研究員等以低成本商用泡沫為可犧牲模板，制備了超彈性、任意形狀和3D組裝的粘土/石墨烯氣凝膠（CGAs）用于太陽能脫鹽和有機溶劑吸附。在本工作中，粘土（凹凸棒土、鋰藻土和蒙脫土）在構建CGAs中發揮了重要作用，使石墨烯的用量減少了50%，降低了制備成本。所得的CGAs顯示出超彈性，在95%的應變下，壓縮強度為0.09-0.23 MPa。通過引入不同種類的粘土可以調整CGAs的親/疏水性（接觸角56-141^o）。疏水性的CGAs顯示出優異的油/有機溶劑吸收性能（186-519倍），并在循環吸附過程中表現出穩定的性能。此外，研究人員還設計了3D組裝的親水CGAs可以用于高效太陽能除鹽。這種設計有效地促進了能量回收和鹽水運輸管理，3D CGA在處理高濃度（20 wt.%）鹽水時，表現出極高的蒸發速率（4.11 kg m^-2?h^-1）。在1個太陽光強下連續照射36小時，樣品表面沒有鹽沉積。通過定期擠壓和干燥鹽收集器中的溶液，可以方便地收集鹽分。因此，3D組裝的CGAs在連續太陽能脫鹽和高效的油/有機溶劑吸附方面具有巨大的應用潛力。

相關研究成果近日以《超回彈、3D組裝粘土/石墨烯氣凝膠用于連續太陽能除鹽和有機溶劑吸收》（Superelastic 3D Assembled Clay/Graphene Aerogels for Continuous Solar Desalination and Oil/Organic Solvent Absorption）為題發表在國際知名期刊《Advanced Science》上。論文第一作者為山東第一醫科大學丁美春副教授，通訊作者為李晨蔚教授。

圖文介紹03

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圖1. CGAs的制備。

（a）CGA制備過程示意圖；

（b）CGA（~4 mg cm^-3）放置在蒲公英上的照片；具有復雜形狀CGAs：（c）“山東第一醫科大學”中文字樣，（d）“海豚”，“海獅”，“北極熊”和“海星”形狀；

（e）大尺寸CGA的照片；

（f）3D CGA的照片。

圖2. CGAs的力學性能測試。

（a）不同應變下CGA的應力-應變曲線；

（b）凹凸棒土/石墨烯氣凝膠（AGA）、（c）鋰藻土/石墨烯氣凝膠（LGA）和（d）蒙脫土/石墨烯氣凝膠（MGA）的循環壓縮應力-應變曲線；

（e）CGAs和石墨烯氣凝膠（GA）壓縮過程的應力-應變曲線；

（f）CGAs與其他彈性氣凝膠的力學性能對比；

（g）AGA在一系列惡劣環境下的耐久性測試，包括：20次循環壓縮測試，高溫（95 °C，1小時），超聲波攪拌（400 W，1小時），堿性（pH ≈ 14，24小時）環境，酸性（pH ≈ 1，24小時）環境和水中20次循環壓縮測試。

圖3. CGAs的吸附性能測試。

（a）CGA和GA的接觸角測試。

分別使用LGA和MGA快速吸收水中的（b）甲苯（蘇丹III染色，頂部）和（c）二氯甲烷（用蘇丹III染色，底部）的照片；

（d）3D立方杯形CGA組裝過程的照片；

（e）利用3D立方杯形MGA快速分離二氯甲烷（蘇丹III染色）和水；

（f）LGA和（g）MGA對各種有機溶劑和油的吸收能力；

（h）LGA和MGA與其他氣凝膠的吸附性能的對比；

（i）MGA在循環吸附/燃燒過程的吸附穩定性測試；

（j）通過燃燒回收MGA的照片；

（k）MGA在循環吸附/壓縮過程中吸附性能穩定測試；

（l）通過壓縮回收MGA的照片。

圖4. 3D組裝AGA太陽能蒸發器的設計與制備。

（a）AGA的吸收光譜；

（b）GA和AGA的熱導率；

（c）蒸發性能測試裝置示意圖；

（d）2D AGA能量損失和（e）3D AGA I的能量回收的示意圖。插圖：在1個太陽下，2D AGA和3D AGA I的水質量隨時間的變化；

（f）2D AGA和（g）3D AGA II的鹽水運輸和鹽結晶過程示意圖。插圖：在1個太陽下，2D AGA和3D AGA II蒸發鹽水（20 wt.%）的速率；

（h-i）使用金字塔形MF和三棱錐MF組裝3D AGA III的示意圖和實物圖。插圖：在1個太陽下，3D AGA III在蒸發鹽水（20 wt.%）的速率；

（j）3D AGA IV的設計示意圖和實物圖。

圖5. 3D組裝AGA太陽能蒸發器的性能測試。

（a-b）將一塊充滿水的p-MF放置在3D AGA IV上作為鹽收集系統。由于3D AGA IV的橫截面積增大，鹽水沿徑向輸送，導致3D AGA IV上表面邊緣鹽水濃度增加。在鹽濃度梯度的驅動下，p-MF可以吸收3D AGA IV表面的鹽；

（c）在1個太陽下，2D AGA和3D AGA I-IV蒸發20 wt.%鹽水的速率；

（d）在3.5-25wt.%鹽水濃度下，3D AGA IV與其他太陽能蒸發器件的性能對比；

（e）配備p-MF的3D AGA IV在連續脫鹽測試過程0、12、24和36小時的照片；

（f）連續脫鹽過程中，隨著水的蒸發，水位逐漸降低，直至水與鹽完全分離；

（g）在1個太陽下，配備p-MF的3D AGA IV在20 wt.%鹽水中的長期脫鹽測試；

（h）基于2×2陣列的3D AGA IV，構建簡易的太陽能器件用于收集淡水；

（i）在太陽能脫鹽前后，不同鹽度（3.5-25 wt.%）鹽水中Na⁺的濃度；

（j）太陽能海水淡化前后，來自中國青島的海水樣品中Ca²⁺、K⁺、Na⁺和Mg²⁺的濃度。

文章信息：

Meichun Ding, Hao Lu, Yongbin Sun, Yujian He, Jiahui Yu, Huijun Kong, Changxiang Shao, Chen-Yang Liu, and Chenwei Li*, Superelastic 3D Assembled Clay/Graphene Aerogels for Continuous Solar Desalination and Oil/Organic Solvent Absorption, Advanced Science, 2022, 2205202.

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202205202

通訊作者簡介：

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李晨蔚，山東第一醫科大學化學與制藥工程學院教授/博士生導師。2016年博士畢業于中科院化學所。2021年加入山東第一醫科大學，入駐濟南校區醫學科技創新中心，并組建“石墨烯復合材料功能化”研究團隊，目前團隊有教授1名，副教授5名。目前從事高力學性能石墨烯氣凝膠的制備和石墨烯復合氣凝膠功能化研究，主要涉及太陽能光熱材料、柔性傳感器、柔性儲能材料、輕質吸波/電磁屏蔽材料等。近年來，以第一作者和通訊作者在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science等國際知名期刊上發表SCI論文20余篇，并主持多項重要科研項目。目前，團隊誠招博士后2名，感興趣的同學可將簡歷發至郵箱：lichenwei@iccas.ac.cn。

本文由作者供稿。