北京化工大学Jieshan Qiu课题组--聚苯胺纳米锥阵列对氧化石墨烯的形貌控制可实现高性能的太阳能驱动水蒸发

调整太阳能蒸发器的表面形貌对于提高光吸收和提高太阳能转化为蒸汽的效率具有重要意义。在此，报道了一种通过静电组装结合苯胺原位聚合来调控氧化石墨烯 (GO) 表面形貌的新策略。GO 表面与聚苯胺 (PANI) 纳米锥阵列完全混合，呈现出具有高度可折叠配置的周期性结构。此外，PANI 阵列可调节 GO 的表面化学性质并延缓 GO 在水中的再分散，从而实现相应的复合材料 (PG) 坚固的结构耐久性。具有这些有趣的属性，当在纯水中用作蒸发器时，PG 的蒸发性能提高到 1.42 kg m ⁻² h ⁻¹一次太阳光照下蒸发效率高达96.6%。进一步的研究表明，聚苯胺在 GO 表面的周期性锥形结构通过多次反射增强了光吸收并促进了热定位。脱盐试验证实了 PG 在实际淡水生产中的可靠性。数值模拟和光学显微镜观察显示了表面形貌强化的蒸汽生成效应。这项研究为合理控制用于高效太阳能蒸发的光热材料表面形貌提供了新思路。

Figure 1. 用于太阳能蒸发的表面改性 PG 复合材料的示意图。a) 表面改性 PG 复合材料，i) 原始 GO，ii) 分布不均匀，iii) PANI 在 GO 表面均匀分布。b) GO 和 PG 上的光和热分布。c) 平面GO（左）和圆锥面PG-10（右）蒸气分布的数值模拟。

Figure 2. PG-X形貌的调控机制。a) PG-X 制备路线的示意图，i) 通过静电相互作用在 GO 上使苯胺成核，和 ii) 通过原位聚合在 GO 上垂直 PANI 阵列的生长机制。b) 苯胺的氧化聚合机理。

Figure 3. PG-X 复合材料的形貌。a) GO、b) PANI、c) PG-1、d) 和 e) PG-10、f) PG-50 的 SEM 图像。

Figure 4. PG-X 复合材料的光学和热性能。a) 波长范围为 200 nm 至 2500 nm 的各种样品的 UV-vis-NIR 光谱，由标准气团 1.5 全球 (AM 1.5 G) 太阳光谱（紫色区域）加权。b) 各种样品在808 nm激光照射下的光热转换性能。c) PG-10 在五次加热-冷却过程中的抗光漂白行为。d) PG-10、GO 和 PANI 薄膜的温度在一次阳光照射下作为时间的函数。e) PG-10薄膜在0 s、30 s和90 s照射时间下的红外热像。

相关研究工作由北京化工大学Jieshan Qiu课题组于2022年在线发布于《Adv. Funct. Mater》期刊上，原文：Topographic Manipulation of Graphene Oxide by Polyaniline Nanocone Arrays Enables High-Performance Solar-Driven Water Evaporation。