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  隨著世界人口不斷增加，水資源短缺問題日益嚴(yán)重。然而地球上的淡水資源極其有限，因此人們希望通過(guò)海水淡化、污水清潔處理來(lái)解決這一問題。利用可再生清潔能源——太陽(yáng)能，通過(guò)光-熱轉(zhuǎn)化，進(jìn)行太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的水蒸發(fā)，是實(shí)現(xiàn)海水淡化的有效途徑之一。太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)技術(shù)的開發(fā)主要針對(duì)提高材料的光熱轉(zhuǎn)化能力以及降低蒸發(fā)過(guò)程的熱損失，以實(shí)現(xiàn)高效率的太陽(yáng)能利用。然而，現(xiàn)有太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)產(chǎn)生清潔水的速率十分有限，限制了這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用化。

  鑒于此，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院研究生崔琳凡在曲良體教授指導(dǎo)下開發(fā)了一種基于石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)，結(jié)合光-電-熱效應(yīng)的利用太陽(yáng)能海水淡化新方法，實(shí)現(xiàn)了清潔水產(chǎn)水速率的大幅度提高，為太陽(yáng)能高效制清潔水打開了大門，相關(guān)研究成果發(fā)表于國(guó)際重要期刊《Advanced Materials》。

圖1 光-電-熱效應(yīng)示意圖

  這種石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)由多孔石墨烯（PGS）和石墨烯箔（GF）組成。PGS部分接收太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換，同時(shí)多孔結(jié)構(gòu)可以提供有效的水蒸發(fā)通道。GF具有較高的導(dǎo)電性并與太陽(yáng)能電池板連接，在太陽(yáng)光照射下，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生電能，GF由于具有較好的電熱性能會(huì)產(chǎn)生熱量，進(jìn)而可以提高材料的溫度，有效地提高水蒸發(fā)速率。

圖2 石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)在室外自然光條件下模擬海水淡化過(guò)程

  在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照射下測(cè)試表明，結(jié)合光-電-熱效應(yīng)的水蒸發(fā)速率可以達(dá)到2.01-2.61 kg m-2 h-1。水蒸發(fā)速率可以通過(guò)調(diào)控光電轉(zhuǎn)換進(jìn)一步提高。在室外自然太陽(yáng)光下，按8h計(jì)算，利用每平方米的石墨烯材料可以收集8.6kg淡化清潔水，只需幾平方米就能滿足數(shù)人的日常飲水需求。

  研究團(tuán)隊(duì)在石墨烯的可控制備、結(jié)構(gòu)調(diào)控與組裝方面的工作已積累多年。去年曾利用定向冷凍組裝的方法，獲得長(zhǎng)程有序、垂直排列的石墨烯材料。該種材料具有高吸光率和高穩(wěn)定性，其特殊陣列結(jié)構(gòu)作為水蒸發(fā)的良好傳送通道，可實(shí)現(xiàn)在太陽(yáng)光下，水分高效快速地傳輸與蒸發(fā)。Nature Nanotechnology以“Water remediation: A steam nanogenerator”為題對(duì)此項(xiàng)工作進(jìn)行報(bào)道。

  同時(shí)，課題組近期還與美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校的余桂華教授和美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校楊榮貴教授合作，開發(fā)了一種高分子基的多層級(jí)納米凝膠材料，實(shí)現(xiàn)了高效、快速的水蒸發(fā)及鹽水分離。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照射下，水蒸發(fā)速率可以到達(dá)3.2kg m-2 h-1, 光熱轉(zhuǎn)化效率達(dá)到94%。研究成果發(fā)表于Nature Nanotechnology (2018)。

圖3 高分子基的多層級(jí)納米凝膠材料自然光條件下模擬海水淡化過(guò)程

  這幾項(xiàng)研究為海水淡化和污水處理提供了全新思路，并大大提高了清潔水的產(chǎn)量，有望很快應(yīng)用于大規(guī)模太陽(yáng)能光熱海水淡化等領(lǐng)域。

  相關(guān)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委，科技部和北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的資助。

  論文相關(guān)鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201706805

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b01965

https://www.nature.com/articles/s41565-018-0097-z