Adv. Mater. 南京大學朱嘉：用于高效太陽能蒸汽的精制氧化石墨烯基氣凝膠

charles 7年前 (2016-12-01) 6573瀏覽

【引言】

利用太陽能來產生蒸汽的技術具有廣泛的應用前景，可以應用在諸如海水的淡化提純、蒸餾、液-液分離、滅菌等技術上。而這一技術的核心在于太陽能吸收體(absorbes)材料的選擇上，到目前為止已經發展出了金屬微粒吸收體、碳材料吸收體、等離子吸收體等。如果要使這一技術的能量轉化效率大于80%，就要將太陽光匯聚從而提高單位面積上能接收到的太陽能，為了實現這一點往往需要聚焦太陽光的設備，這就限制了該技術的可擴展性。理想的吸收體應具有以下幾點性質：1、能高效吸收太陽能的寬的光譜帶，2、低熱導率，3、高效水傳輸中的親水性，4、能輸送水蒸氣的多孔網狀結構。氣凝膠是一種新型的多孔固體材料，自上世紀30年代就被制備和研究，它具有密度低、孔隙度高、表面積大、熱導率低等特點，因為氣凝膠是通過將凝膠物質干燥后去除掉其中的溶劑得到的，故其也是密度最小的物質。目前已經制備出了硅基氣凝膠、金屬基氣凝膠、聚合物基氣凝膠以及碳基氣凝膠，可以應用在儲能、催化劑、儲氫以及吸收CO2等領域，就太陽能吸收體而言，開發出一種能夠高效吸收熱能、親水性的物質是十分必要且具有前景的。

【成果介紹】

近日，南京大學朱嘉教授(通訊作者)課題組在Advanced Materials上發表了題為“Tailoring Graphene Oxide-Based Aerogels for Efficient Solar?Steam Generation under One Sun”的文章，該課題組精制了一種氧化石墨烯(GO)基氣凝膠，通過引入多壁碳納米管(MWCNTs)、海藻酸鈉(SA)后具有良好的吸收太陽光性能和親水性，可用于吸收太陽能產生水蒸氣發電。其中，在GO中引入多壁碳納米管可以提供寬的光譜吸收帶，從而提高了吸收效率；GO本身是一種熱導率很低的材料，故其在產生蒸汽發電的過程中能夠使熱量盡可能聚集；而加入具有生物相容性的SA材料后，使得GO具有良好的親水性，使其水接觸角接近74°；該GO-氣凝膠內部的多孔網絡結構使其能夠進行水/水蒸氣的輸送，同時低密度的氣凝膠能夠良好地分布在水的表面。

【圖文導讀】

示意圖：氧化石墨烯基氣凝膠的制備過程

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首先將氧化石墨烯(GO)、海藻酸鈉(SA)、碳納米管(CNT)在水中超聲混合在一起，然后經過傳統的凍干操作，得到GO-SA-CNT氣凝膠

圖1. GO-氣凝膠的形態表征

adma201604031-fig-0001-m

(a) RGO-SA-CNT氣凝膠的俯視圖，圖中顯示了所制備的氣凝膠圓柱體直徑為25mm

RGO-SA-CNT氣凝膠在經過?(b)按壓前 以及 (c)按壓后 的側視圖

RGO-SA-CNT氣凝膠在經過?(d,f)按壓前 以及 (e)按壓后 的SEM圖像

圖像顯示了經過按壓之后RGO-SA-CNT氣凝膠的厚度由5mm減至1.5mm，其內部孔的直徑也有減小

(g) RGO氣凝膠 以及 (h)?RGO-SA-CNT氣凝膠 的HRSEM圖像，圖(h)中白色和黑色的虛線分別顯示了CNT和SA的分布情況

圖2. GO-氣凝膠的化學組成及官能團表征

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RGO氣凝膠、RGO-SA氣凝膠、RGO-SA-CNT氣凝膠的 (a)XPS譜 和 (b)吸收譜

圖3. GO-氣凝膠用于產生水蒸氣的測試

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(a)在光能量密度為1kW·m-2下不同吸收體改變水的質量隨時間變化曲線

(b)不同氣凝膠的太陽能蒸汽效率(六角形，左軸)和蒸發速率(圓形，右軸)

圖4. GO-氣凝膠的熱分布情況測試

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(a)?RGO-SA-CNT氣凝膠 以及 經太陽光照射的底部的水 的溫度隨時間變化曲線，插圖顯示了0 s、1000 s、1 h后經太陽光照射后的燒杯的紅外相機圖片，太陽光能量密度為1kW·m-2；黑色虛線表示燒杯的輪廓，白色虛線表示自由浮動的樣品的位置

(b)?1kW·m-2的光照1 h后沿燒杯軸向的溫度分布曲線，插圖是相應的RGO-SA-CNT氣凝膠的紅外相機圖片

【小結】

該課題組通過超聲混合、凍干等傳統方法制備出了一種能自由浮動在水面的石墨烯基氣凝膠材料，能夠有效地應用在太陽能產生蒸汽技術中。在RGO的多孔網狀結構的基礎上，引入海藻酸鈉(SA)、多壁碳納米管(MWCNT)使其太陽能光譜吸收率達到92%，吸收范圍為200-2500nm，其親水性良好，與水的界面角接近72°，這些特性使得該氣凝膠在1kW·m-2的光照下能量轉換效率可達83%。綜合而言，該氣凝膠制備方法簡單，具有可擴展性，同時該氣凝膠在普通光照條件(1kW·m-2)下仍具有良好的吸收性能，在海水淡化、水凈化和滅菌方面有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Tailoring Graphene Oxide-Based Aerogels for Efficient Solar?Steam Generation under One Sun?(Adv. Mater., 2016, DOI:10.1002/adma.201604031)

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