南開大學ACS Nano：基於石墨烯的用于海水淡化和凈化的獨立太陽能轉換器

【引言】

太陽能是地球上所有能源的真正來源和最終的來源。作為可再生能源和清潔能源的最豐富和可持續的來源，太陽能可用於光伏，光催化和太陽能熱轉換等多種工藝。對於太陽能熱轉換而言，收集太陽能轉化為熱能對發電，住宅供熱，海水淡化和污水處理等多種應用起到了重要作用。在這方面，雖然已經取得了很多進展和很多方法，但是它們中的大多數仍然面臨著以更簡單的結構實現更高的效率，改進的可擴展性和更低的成本的挑戰。最近，已經提出金屬納米顆粒如金，氧化鋁和其他納米顆粒用於在太陽輻射下產生蒸汽和清潔水。然而，高成本，複雜的製造工藝和潛在的安全問題已經限制了其可能的實際應用。因此，近年來，碳材料引起了很大的興趣，部分原因在於其低成本和高效的寬頻吸收，這是實現高效太陽能-熱轉化和水凈化應用的最重要的要求。由石墨烯（GO）大規模獲得的3D交聯聚合物石墨烯材料（3DGraphene）由於其多維/規模的納米/微米結構已經表現出許多基於石墨烯的優異性能，例如超彈性，在環境條件下的氨合成。近日，有學者基於石墨烯用于海水淡化和凈化的獨立太陽能轉換器進行研究。結果表明，由此製備的大塊三維交聯蜂窩狀石墨烯材料具有極高的特定水生產率、能源效率、黑體吸收率和對環境的熱損失極低等。展示了一種高效和可擴展的海水淡化（四級鹽度遞減）和污水處理裝置。

【成果簡介】

近日，南開大學的陳永勝教授（通訊作者）等在ACS Nano上發表了題為「Graphene-Based Standalone Solar Energy Converter for Water Desalination and Purification」的研究論文，報道了基於石墨烯的用于海水淡化和凈化的獨立太陽能轉換器的最新研究進展。

研究人員向我們展示了一個極其簡單和獨立的太陽能轉換器，它僅由一個預製的3D交叉連接的蜂窩石墨泡沫材料組成，沒有任何其他的輔助組件。這種簡單的一體化材料可以作為一種理想太陽能熱轉換器，能夠捕獲太陽光並轉化為熱量，從而將來自各種水源的水分蒸發並在環境條件下產生純凈水，太陽能通量也非常低、高效率。這種可伸縮的材料被用於在環境條件下從海水和污水中獲得純凈的飲用水。研究結果表明，通過使用一個簡單的、可利用的、低成本的太陽能熱水凈化系統，在各種環境條件下，一個性能良好的單片材料平台為凈化水提供了範例的改變。

【圖片導讀】

圖-1. 3D石墨烯材料的太陽能熱性能

(a) 3DG的吸收光譜。插圖的左側部分是顯示其多孔形態的SEM圖像；插圖的右半部分是顯示它是超親水性的接觸角；

(b) 左邊是在1 kWm-2的太陽輻射和沒有光照的情況下有/無3DG的水的蒸發量；中間是蒸汽產生和溫度分布（橫截面）的3DG的示意圖；右邊部分是垂直和側視1 kWm-2以下的紅外圖像；

(c) 不同材料的具體水生產率(水產量/重量3DG)圖像；

(d) 3DG在一定光學濃度範圍內蒸發過程的太陽能熱效率圖像；

(e) 在10kWm -2以下太陽能照射下，3DG在不同水量下的性能圖像；

(f) 3DG在1 kWm -2和10 kWm -2太陽能照射下重複使用20次的圖像。

圖-2. 3DG在不同波長範圍內的太陽熱性能

(a) 在可見光的不同波長下產生蒸汽的光學圖像；

(b) 650nm單色光波長下不同光學濃度下的效率（左側軸）和相應的水分蒸發速率（右側軸）圖像；

(c) 在可見光和紅外光的1次太陽輻射下，3DG的水蒸發質量損失圖像；

(d) 在100W微波（2450MHz）下用3DG測量水的蒸發質量損失圖像。

圖-3. 高性能機制和建模

(a) 3DG結構在蒸汽發生過程中的能量平衡和傳熱圖像；

(b) 在蒸汽生成過程中放大3DG的熱環境圖像；

(c) 實驗蒸汽發生效率與3DG的不同厚度（模擬石墨烯層）圖像。

圖-4. 在自然陽光下清潔水源和戶外性能

(a) 脫鹽前後Na+，K+，Mg2+和Ca2+的鹽度（離子重量百分比）圖像；

(b) 太陽能照明下的3DG污水處理性能圖像；

(c) 24小時持續測量太陽通量和清潔水的生成圖像。記錄一整天（0：00-24：00）的環境太陽通量（紅線），使用開放設備產生的蒸汽量（藍線）和使用覆蓋設備的冷凝水（綠線）。

【小結】

本文通過由一種基於石墨烯的石墨烯材料（3DG）直接製備的一個獨立的太陽能熱轉換器。研究結果表明，一個簡單的獨立石墨烯泡沫片可以作為有效的太陽能熱捕獲和轉換裝置。在正常（1個太陽）甚至更弱的陽光下（低至0.25個太陽），3DG材料可以以簡單和可擴展的方式直接用作高效率的清潔水發生器。此外，與其他海水淡化材料不同，輕質彈性材料也非常便於使用，非常適合個人和工業應用。這種易於使用的碳材料可以為高效太陽能收集和簡化水處理的應用機會提供許多可能性。

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

本文由材料人編輯部新人組 胡爽 編譯，黃超審核。

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