科技动态:垂直排列的石墨烯薄膜实现高效太阳能水蒸发

必发365登录入口2017年5月8日讯  经过5年的发展,人们发现,将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。在发现石墨烯以前,大多数物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以,它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。

近来,垂直排列的宏观微观结构研究成为热点,利用这种特殊的结构运用在储能器件、催化、太阳能水蒸发等各个领域也逐渐吸引人们的眼球。

北京理工大学化学与化工学院曲良体教授课题组近日在ACS Nano上发表了相关文章Vertically Aligned Graphene Sheets Membrane for Highly Efficient SolarThermal Generation of Clean Water。文中利用单轴定向冷冻的思路,将GO混合溶液通过冷冻、干燥、煅烧的方法,最终形成长程有序的垂直排列管状结构。利用该种特殊管状结构,作为水蒸发的传送通道,实现在太阳能等光源下,水分高效快速地蒸发。基于还原氧化石墨(rGO)一些独特的性质,得到的VA-GSM(Vertically aligned graphene sheets membrane)膜具有很高的吸光率和超高稳定性。

经过测试,该膜分别在一个光源和四个光源的情况下,水的蒸发率能达到1.62 kg· m-2·h-1和6.25 kg·m-2·h-1,其太阳能转换率分别可达到86.5%和94.2%,这比以往报道过的大多数碳材料的太阳能转化率都要高。而这种用途对于缓解水资源危机起到了很好的作用,它可以将不同来源的水(海水、废水以及浓酸、浓碱溶液)高效快速地转化为净水。在之前相关方面的研究中,采用的材料为3D阳极氧化铝膜、聚吡咯沉积不锈钢网、基于金纳米颗粒薄膜的无尘纸等,它们不能在有机、强腐蚀性酸和强碱等恶劣环境中使用,因此不能实现产业的规模化。而文中得到的VA-GSM材料具有高孔隙率、高吸光率,而且在恶劣环境中也能够稳定存在(能承受3000 oC的高温以及-196 oC的低温),优势十分明显。

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VA-GSM制备过程大致如图1a-c:在7 mg·mL-1的GO溶液中混入少量乙醇(GO:ethanol = 30:1)形成混合溶液,再将溶液倒入一定尺寸的PTFE模具中,将该模具放入液氮中进行单轴定向冷冻,利用冰晶生长形成长程有序的垂直排列结构,将该结构进行干燥、煅烧,最终便得到VA-GSM,其SEM见图1d-i。另外,该种方法得到的样品宏观尺寸大小可以根据模具的尺寸进行相应的调整。

整个实验中,有机溶剂乙醇起到了至关重要的作用。根据经验,不加入乙醇很难形成如此规整的长程有序结构。而加入少许乙醇后,猜测由于去离子水和乙醇的冰点不同,两者无法实现在同一温度进行冷冻,这对冰晶形成的结晶造成影响,最终使得石墨烯随着冰晶的轴进行定向排列,形成了垂直排列、具有高度取向的结构。文中也验证了,这对于其他几个与水互溶的有机溶剂(甲醇、丙酮、正丙醇)也适用。结合石墨烯化学性质和冰晶物理学性质,在一定程度上,该法对于制造Vertically aligned结构的块材具有普适性。

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另外,文章也验证了VA-GSM大片层的力学性质,发现该材料可用进行随意弯曲、剪切以及在较大压力下进行压缩测试。文章解释道,这可能与垂直排列的结构中,夹杂着rGO的片层结构起到一定的支撑作用有关。在应用方面,文中组装成了如下装置进行水蒸发实验(如图2)。

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采用在装满水的玻璃容器上放置聚苯乙烯泡沫,上面铺上一层玻璃纤维,然后最顶部放上VA-GSM,在光照的情况下,检测顶部温度的变化,以及检测水蒸气的出现,证明该装置确实能对太阳能水蒸发起到高效的作用(热传导率可达到3.8 mW·m-1·K-1)。此外,用于海水净化中,吸收后对净水离子进行吸收检测,其含量低于世界卫生组织WHO规定值,而且比传统的一些净水装置净水效果高出很多(如图3)。

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