ASC Nano：垂直排列的石墨烯膜用以高效光熱清潔水

【引言】

隨著現代工業的飛速發展，水污染問題日益突出。高效地利用太陽能從海水或者工業用水中提取清潔的水是一種解決水源短缺的有效方式。利用太陽能的脫鹽作用，從海水中蒸發獲得水蒸氣成為現今研究的熱點。傳統的光熱轉換材料包括利用鋁顆粒自組裝形成的三維多孔陽極鋁材料，聚吡咯沉積形成的不銹鋼網，氣流誘導形成的金納米顆粒膜等。然而在實際應用過程中，光熱轉換材料應該能夠容易地擴大化制備，在注入有機質、強腐蝕酸和/或堿液中能夠穩定存在的特點。因此，3D石墨烯材料由于其多孔、杰出的光吸收性能，出色的光電轉換以及在許多極端條件下穩定的特點受到重視。

?【成果簡介】

?北京理工大學曲良體教授課題組利用一種能夠大規模推廣制備的方法合成了均勻直立排布的石墨烯薄膜（VA-GAM）。這種薄膜能夠滿足光熱的產生，垂直排布的通道能夠釋放水蒸氣。氧氣等離子進一步親水化薄膜表面，加上薄膜對太陽光全譜（250 nm- 2500 nm）的充分吸收，使之具有高效的光熱轉換效率。一個太陽單位下的轉換效率高達86.5%，四個太陽照射單位下的效率高達94.2%。

【圖文導讀】

圖1. 薄膜的制備流程

制備和 表征VA-GSM的流程圖如上所示。

（a）氧化石墨烯（GO）分散在少量乙醇中。

（b）在PTFE磨具中定向對GO進行冷凍干燥。模具放在在液氮表面來誘導從下至上的冷凍方向。

（c）經過冷凍干燥和熱處理之后得到的VA-GSM。

（d）16 cm*16 cm尺寸的整塊VA-GSM圖片。

（e-i）不同標尺下的VA-GSM圖。

圖2.VA-GSM的光學表征

（a-c）在（a）還原氧化石墨烯（rGO）薄膜，（b）構造混亂的還原氧化石墨烯泡沫(rGOF-DS) 以及（c）VA-GSM用以輸送太陽能水蒸氣的水通道的機理示意圖。

（d）rGO薄膜，rGOF-DS以及VA-GSM在波長范圍為250-2500 nm 處的吸收光譜。

（e）rGO薄膜，rGOF-DS以及VA-GSM在一個太陽單位下的水質量變化。在（e）中插入部分是利用模擬實驗步驟來展示太陽能蒸發形成水蒸氣的過程。所有的實驗都在室溫25 oC，濕度是22%。

（f）VA-GSM與先前文獻中報道過的沒有用熱絕緣層輔助制備的材料的光熱轉換效率的比較。

圖3.光熱蒸汽流產生過程的表征

太陽能水蒸氣在有熱絕緣層條件下生成的流程示意圖。聚乙烯泡沫在整個水面上漂浮，親水的中空玻璃纖維用來向熱源輸送誰。

（b）在有熱絕緣層的VA-GSM中的水經過一個太陽單位60min的照射之后的溫度。

（c）在不同光照強度下的水和VA-GSM中水質量的變化。

（d）c中經過計算所得的不同光照強度下的VA-GSM的光熱轉換效率，(c)、(d)中的誤差棒指示了測量過程中的標準誤差。

（e）是在四個太陽單位下的可見光蒸汽流產生。

（f）VA-GSM與其他文獻中報道過的材料在絕熱材料層下的光熱蒸汽流的產生效率。

圖4????光熱轉換過程中海水中離子的變化

?

（a）海水在四個太陽單位光強下的時間質量變化圖。

（b）在太陽熱凈化之前（原始）和之后的真實海水（渤海）樣品中五種離子的測量濃度。

（c）在經歷光熱純化后的海水樣品中的離子衰退。

（d）在海水純化前后五種酸溶液中H⁺的濃度。樣品編號1-5對應了H⁺的原始濃度：0.2,2,4,6,8 molL^-1。

（e）在光熱純化前后五種堿溶液里的OH^-濃度。編號1-5對應的濃度分別為0.2,2,4,6,8 molL^-1。（f）光熱純化前后模擬海水中五種金屬離子：Cr³⁺ ，Pb²⁺， Zn²⁺， Ni²⁺ 以及 Cu²⁺ 的濃度。

【小結】

課題組通過利用可擴大的不需輔助的冷卻方法制備了能夠均勻分布的VA-GSM。這種自支撐的薄膜具有能夠促進水運輸的通孔通道，光熱轉化的高光吸收容量，在嚴酷環境中出色的穩定性，保證了在海水，常見污水甚至是酸堿溶液中高效地光熱轉換過程。VA-GSM在一個太陽單位下能夠達到86.5%的轉換率，在四個太陽單位下能夠達到94.2%。

原文鏈接：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學術組東海木子供稿，材料牛整理編輯。

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