北京化工大学邱介山、孟祥桐AFM：可控的界面调控实现太阳能水蒸发

淡水资源短缺的问题已经不同程度上困扰了全世界三分之二的人群。地球上的太阳能丰富，太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）技术已成为最有前途的淡水转化途径之一。SDIE系统通常由三个组件组成，即太阳能吸收器，水传输层和热绝缘子。太阳能吸收器可以吸收太阳辐射，然后将太阳能转化为热量。太阳能吸收器包括半导体和碳材料等。自然界中的生物（例如木材和蘑菇）由于其独特的孔隙和微通道因而用作水传输基质，热绝缘子（例如塑料泡沫）有助于抑制整个蒸发过程中的热量损失。在SDIE过程中，蒸发器的形貌可以影响光吸收或散射情况。因此，调整太阳能蒸发器的表面形貌对于提高光吸收并提高太阳能蒸气效率至关重要。

最近，北京化工大学邱介山/孟祥桐研究团队提出了聚苯胺纳米锥阵列对氧化石墨烯的形貌调控实现了高性能太阳能驱动水蒸发的策略。氧化石墨烯表面与聚苯胺（PANI）纳米锥阵列混合而成，表现出了高度可折叠的周期结构（图1）。此外，PANI阵列调整了氧化石墨烯表面化学性质并阻止了其在水中分散，从而实现了PANI/GO复合材料（PG）良好的结构耐用性。PG在一个太阳照明下，蒸发性能改善了1.42 kg m^-2 h^-1，蒸发效率高达96.6%。这项研究为高效太阳蒸发的光热材料的表面形貌调控提供了新的思路。

图1：表面修饰的PANI/GO复合材料的示意图。

表面形貌的调控

GO诱导的PANI纳米锥阵列是通过静电组装与原位聚合结合的方式制备而成。PANI纳米阵列在GO上有效地保护了含氧部分官能团，提高了GO的稳定性。此外，与原始GO相比，高度分散的PANI配置具有良好的太阳能吸收能力，实现了增强的光热转化性能（图2）。

图2：PG形貌的调控机制。a) PG的制备途径的示意图，b) 苯胺氧化聚合的机制。

形貌与结构表征

通过扫描电子显微镜表征了各种样品的形态。如图3a所示，GO样品表现出常规平面的表面，这将在很大程度上反映入射光。在没有均质成核和随机生长的情况下，合成了具有缠结和无序结构的纯PANI纳米线（图3b）, 另外PANI的松散和多孔结构将增加光反射和光传输能力。值得注意的是，PG的形貌与原始GO和纯PANI的形貌明显不同。PG在GO表面显示PANI纳米阵列的致密结构（图3c）。当获得苯胺的质量比为10%时，PG表现出平均高度为100 nm的纳米结构（图3d）。而且PANI纳米阵列均匀地分散在GO的表面上（图3e），这有效地防止了GO的重新堆叠。而随着与苯胺的质量比增加到50%，苯胺单体在过度GO面上聚合，从而使PG具有点状表面（图3f）。

图3：PG复合材料的表面形态。

光学与光热性能

如图4a所示，GO膜在可见光和红外光范围内表现出低吸收率，其吸收随着波长的增加而急剧降低。相比之下，PANI膜在200至2500 nm的波长范围内平均吸收93%，这表明其具有出色的太阳能收获能力。当将PANI与GO整合在一起时，PG复合材料会产生增强的太阳吸收效率，这归因于PANI和GO的协同作用。如图4b-4c所示，温度在100 s之内从室温迅速升高到140°C，这是由于PG-10的独特微观结构引起了更多的反射和散射。关闭激光后，温度大幅度降低至80°C的室温，表现出极好的光热转化特性。因此，在太阳照明下， PG-10复合材料的表面温度很容易在60 s的滤纸上从19.4°C提高到60 °C，而且PG-10的温度逐渐达到240秒内的80.5°C的平衡值（图4d）。PG-10的红外图像进一步显示在一个太阳照明下的温度响应情况，其中温度在30 s内立即升至65.9°C，并在90 s内升至78.9°C（图4e）。

图4：PG复合材料的光学和热学性能。

太阳能水蒸发和脱盐性能

PG-10蒸发器在一个太阳照明下表现出1.42 kg m^-2 h^-1的高蒸发速率，该蒸发速率大于PANI磁盘的蒸发率（1.25 kg m^-2 h^-1）和GO磁盘的蒸发率（0.89 kg m^-2 h^-1）。PG-10的蒸发效率达到96.6%，是纯水中的四倍。在黑暗（0太阳）中测试的PG-10的蒸发率为0.06 kg m^-2 h^-1，对应于3.7%的效率。在太阳照明下，PG-10的高蒸发效率比黑暗条件表明其出色的太阳能蒸气能力。PG-10的高度可折叠结构不仅可以增强光吸收，而且还可以提供较大的蒸发表面。因此，与单个PANI和GO蒸发器相比，PG-10显示出有效的太阳能驱动蒸发性能。在水蒸发过程中，记录了蒸发器表面的温度演变（图5b）。在水上漂浮的PG-10的表面温度在30 s内从12.5°C增加到40.7°C，而散装水的温度在18.8°C下保持。值得注意的是，在水上PG-10（40.7°C）的稳态平衡温度远低于干PG-10磁盘（80.5°C）的稳态平衡温度。可以从PG-10蒸发器的红外图像中看到（图5c），即热量主要局限于PG-10表面，避免了体积热量的损失。

图5：在25°C的环境温度和35%的湿度下测试的太阳蒸发和脱盐性能。

太阳海水淡化测试

PG-10磁盘在太阳海水淡化中的有效性在一个太阳的照明下得到了验证。与GO盘相比，PG-10磁盘的蒸发率达到1.28 kg m^-2 h^-1（图6a）。PG-10中GO的表面形貌有助于蒸发表面的光吸收和扩大。此外，PG-X磁盘的太阳海水淡化性能与相应的GO含量正相关，随着GO质量比率增加，蒸发速率从1.05 kg m^-2 h^-1逐渐增加到1.28 kg m^-2 h^-1 从0到10 wt%。随着GO含量进一步升高至50 wt%，PG-50磁盘的蒸发率降低到1.18 kg m^-2 h^-1，相关蒸发效率甚至低于PG-1磁盘的蒸发率。

考虑到工业废水中的盐浓度可能高于海水的盐浓度，因此研究了模拟盐水（NaCl溶液从1 wt%到20 wt%）中PG-10的脱盐性能。从图6b可以看出，PG-10磁盘在各种盐水中表现出很高的海水淡化能力。为了进一步验证PG-10磁盘在实际水溶液中的可靠太阳蒸发性能，在阳离子变化的盐水中进行淡化测试（图6c）。值得注意的是，在实际海水中，PG-10的高蒸发速率为1.35 kg m^-2 h^-1，并且其他盐水系统中的蒸发速率大于1.29 kg m^-2 h^-1，表明PG-10磁盘在实用水溶液中具有出色的可靠性，用于太阳能驱动的淡水生产。

通过电感耦合的等离子体光谱检测蒸汽的质量。与真实的海水相比，原始离子的浓度（包括Na⁺，Mg²⁺，K⁺和Ca²⁺）大幅下降约2至3个数量级（图6d），符合环境保护建议的盐度标准。从图6e可以看出，PG-10磁盘在经过五个周期的淡化测试后（3.5wt% NaCl溶液），显示了稳定的蒸发率和蒸发效率，表明其可重复使用性极佳。此外，使用PG-10蒸发器进行8小时的连续蒸发试验显示，平均蒸发率为1.27 kg m^-2 h^-1（图6f）。

图6：各种蒸发器的表面地形对太阳海水淡化性能的影响（T= 25°C，H = 35％）。

结论：研究者通过表面工程通过GO和PANI制备了高性能的PG太阳能蒸发器，其中GO表面由高度分散的PANI纳米锥阵列调控而成。PG复合材料中的PANI阵列主要有以下三个作用：1）通过静电相互作用结合了GO的亲水基团，从而保护GO免受侵袭而重新溶解到水中；2）通过扩散反射和提高热产能来提升光吸收；3）扩大蒸发表面并加速蒸汽产生。从PG复合材料的这些特征中受益，在一个太阳照明下产生了1.42 kg m^-2 h^-1的水蒸发速率。 淡化水测试表明PG具有卓越的耐盐性。这项工作着重于蒸发器的表面形貌调控，并为高效的太阳能蒸发应用提供了新的见解。

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