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(xù)的來源，太陽能可用于光伏，光催化和太陽能熱轉(zhuǎn)換等多種工藝。對于太陽能熱轉(zhuǎn)換而言，收集太陽能轉(zhuǎn)化為熱能對發(fā)電，住宅供熱，海水淡化和污水處理等多種應(yīng)用起到了重要作用。在這方面，雖然已經(jīng)取得了很多進展和很多方法，但是它們中的大多數(shù)仍然面臨著以更簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更高的效率，改進的可擴展性和更低的成本的挑戰(zhàn)。最近，已經(jīng)提出金屬納米顆粒如金，氧化鋁和其他納米顆粒用于在太陽輻射下產(chǎn)生蒸汽和清潔水。然而，高成本，復(fù)雜的制造工藝和潛在的安全問題已經(jīng)限制了其可能的實際應(yīng)用。因此，近年來，碳材料引起了很大的興趣，部分原因在于其低成本和高效的寬帶吸收，這是實現(xiàn)高效太陽能-熱轉(zhuǎn)化和水凈化應(yīng)用的最重要的要求。由石墨烯(GO)大規(guī)模獲得的3D交聯(lián)聚合物石墨烯材料(3DGraphene)由于其多維/規(guī)模的納米/微米結(jié)構(gòu)已經(jīng)表現(xiàn)出許多基于石墨烯的優(yōu)異性能，例如超彈性，在環(huán)境條件下的氨合成。近日，有學(xué)者基于石墨烯用于海水淡化和凈化的獨立太陽能轉(zhuǎn)換器進行研究。結(jié)果表明，由此制備的大塊三維交聯(lián)蜂窩狀石墨烯材料具有極高的特定水生產(chǎn)率、能源效率、黑體吸收率和對環(huán)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(xué)的陳永勝教授(通訊作者)等在ACS Nano上發(fā)表了題為“Graphene-Based Standalone Solar Energy Converter for Water Desalination and Purification”的研究論文，報道了基于石墨烯的用于海水淡化和凈化的獨立太陽能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，它僅由一個預(yù)制的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(zhuǎn)換器，能夠捕獲太陽光并轉(zhuǎn)化為熱量，從而將來自各種水源的水分蒸發(fā)并在環(huán)境條件下產(chǎn)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于在環(huán)境條件下從海水和污水中獲得純凈的飲用水。研究結(jié)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(tǒng)，在各種環(huán)境條件下，一個性能良好的單片材料平臺為凈化水提供了范例的改變。
【圖片導(dǎo)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(cè)部分是顯示其多孔形態(tài)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(fā)量;中間是蒸汽產(chǎn)生和溫度分布(橫截面)的3DG的示意圖;右邊部分是垂直和側(cè)視1 kWm-2以下的紅外圖像;
(c) 不同材料的具體水生產(chǎn)率(水產(chǎn)量/重量3DG)圖像;
(d) 3DG在一定光學(xué)濃度范圍內(nèi)蒸發(fā)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太陽能照射下重復(fù)使用20次的圖像。
圖-2. 3DG在不同波長范圍內(nèi)的太陽熱性能
(a) 在可見光的不同波長下產(chǎn)生蒸汽的光學(xué)圖像;
(b) 650nm單色光波長下不同光學(xué)濃度下的效率(左側(cè)軸)和相應(yīng)的水分蒸發(fā)速率(右側(cè)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(fā)質(zhì)量損失圖像;
(d) 在100W微波(2450MHz)下用3DG測量水的蒸發(fā)質(zhì)量損失圖像。
圖-3. 高性能機制和建模
(a) 3DG結(jié)構(gòu)在蒸汽發(fā)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(huán)境圖像;
(c) 實驗蒸汽發(fā)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) 脫鹽前后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(xù)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(huán)境太陽通量(紅線)，使用開放設(shè)備產(chǎn)生的蒸汽量(藍線)和使用覆蓋設(shè)備的冷凝水(綠線)。
【小結(jié)】
本文通過由一種基于石墨烯的石墨烯材料(3DG)直接制備的一個獨立的太陽能熱轉(zhuǎn)換器。研究結(jié)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(zhuǎn)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(fā)生器。此外，與其他海水淡化材料不同，輕質(zhì)彈性材料也非常便于使用，非常適合個人和工業(yè)應(yīng)用。這種易于使用的碳材料可以為高效太陽能收集和簡化水處理的應(yīng)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)
