北理工曲良体教授课题组在海水淡化领域取得重要进展
随着世界人口不断增加，水资源短缺问题日益严重。然而地球上的淡水资源极其有限，因此人们希望通过海水淡化、污水清洁处理来解决这一问题。利用可再生清洁能源——太阳能，通过光-热转化，进行太阳能驱动的水蒸发，是实现海水淡化的有效途径之一。太阳能驱动水蒸发技术的开发主要针对提高材料的光热转化能力以及降低蒸发过程的热损失，以实现高效率的太阳能利用。然而，现有太阳能驱动水蒸发产生清洁水的速率十分有限，限制了这项技术的实用化。
鉴于此，北京理工大学化学与化工学院研究生崔琳凡在曲良体教授指导下开发了一种基于石墨烯复合结构，结合光-电-热效应的利用太阳能海水淡化新方法，实现了清洁水产水速率的大幅度提高，为太阳能高效制清洁水打开了大门，相关研究成果发表于国际重要期刊《Advanced Materials》。
图1 光-电-热效应示意图
这种石墨烯复合结构由多孔石墨烯（PGS）和石墨烯箔（GF）组成。PGS部分接收太阳能实现光热转换，同时多孔结构可以提供有效的水蒸发通道。GF具有较高的导电性并与太阳能电池板连接，在太阳光照射下，太阳能电池板产生电能，GF由于具有较好的电热性能会产生热量，进而可以提高材料的温度，有效地提高水蒸发速率。
图2 石墨烯复合结构在室外自然光条件下模拟海水淡化过程
在一个标准太阳光照射下测试表明，结合光-电-热效应的水蒸发速率可以达到2.01-2.61 kg m-2 h-1。水蒸发速率可以通过调控光电转换进一步提高。在室外自然太阳光下，按8h计算，利用每平方米的石墨烯材料可以收集8.6kg淡化清洁水，只需几平方米就能满足数人的日常饮水需求。
研究团队在石墨烯的可控制备、结构调控与组装方面的工作已积累多年。去年曾利用定向冷冻组装的方法，获得长程有序、垂直排列的石墨烯材料。该种材料具有高吸光率和高稳定性，其特殊阵列结构作为水蒸发的良好传送通道，可实现在太阳光下，水分高效快速地传输与蒸发。Nature Nanotechnology以“Water remediation: A steam nanogenerator”为题对此项工作进行报道。
同时，课题组近期还与美国德州大学奥斯汀分校的余桂华教授和美国科罗拉多大学博尔德分校杨荣贵教授合作，开发了一种高分子基的多层级纳米凝胶材料，实现了高效、快速的水蒸发及盐水分离。在一个标准太阳光照射下，水蒸发速率可以到达3.2kg m-2 h-1, 光热转化效率达到94%。研究成果发表于Nature Nanotechnology (2018)。
图3 高分子基的多层级纳米凝胶材料自然光条件下模拟海水淡化过程
这几项研究为海水淡化和污水处理提供了全新思路，并大大提高了清洁水的产量，有望很快应用于大规模太阳能光热海水淡化等领域。
相关研究工作得到国家自然科学基金委，科技部和北京市科学技术委员会的资助。
论文相关链接：
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
来源：北京理工大学
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