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文/澹迟智渊

(资料图)

编辑/澹迟智渊

前言

太阳能海水淡化作为一种可持续发展的水资源利用方式，在解决淡水资源不足和缓解水资源短缺的问题上具有巨大潜力。但传统的海水淡化技术往往存在能耗高、设备复杂和成本昂贵等问题。

近年来，以纳米材料为基础的新型脱盐涂层技术逐渐引起了研究者们的关注。 石墨烯氧化物还原石墨烯作为一种新型二维材料，在太阳能海水淡化中展现出了显著的潜力。

相比于传统的脱盐涂层材料，rGO具有优异的导电性、高比表面积和良好的化学稳定性等优点，有望提高脱盐效率和降低能耗。

但rGO本身存在聚集和沉积的问题，降低了其活性和稳定性。因此，将rGO固定在泡沫材料上，形成三聚氰胺泡沫/rGO复合涂层，成为提高脱盐效率和稳定性的一种有效途径。

我们通过表面改性和强化泡沫材料的载体性能，将rGO均匀固定在泡沫表面，以增加其与水中盐离子的接触面积。同时，调控rGO涂层的结构和厚度，来优化脱盐效率和稳定性。

为了深入了解脱盐机理，我们还制备了一种还原氧化石墨烯（rGO）泡沫，三氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫具有固有的多孔微观结构和亲水性，具有良好的润湿性，可以将水吸引到蒸发区域，使水快速补充，同时避免盐沉淀。

基于还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫的界面蒸发系统，在1kW m−2的太阳能燃料下可达到89.6%的稳态蒸发效率，并在一次阳光下12小时内具有良好的耐久性。该界面蒸发系统具有较高的太阳-热转换效率和良好的长期稳定性，显示出商业海水淡化的潜力。

目前，全球能源危机和水资源短缺已成为人类社会可持续发展的主要威胁。为了满足日益增长的能源需求，各种高性能能源转换和水净化技术的发展越来越受到的关注。

太阳能驱动的界面蒸发技术

太阳能作为一种很有前途的可再生能源，由于其超大容量、普遍化、清洁性和多功能转换的能力。已显示出取代化石保留的化石燃料的潜力。

除了太阳能光伏技术直接产生电能外，太阳能-热能转换技术还吸收太阳能转化为热能，被认为是利用太阳能的一种简单而有效的方式。

Te转换的热能可以驱动重要的工业过程，如太阳能热电站、太阳能淡化、杀菌、太阳能加热水系统等热相关应用。太阳能淡化提供了一种有效的解决方案，通过在没有额外能源投入的情况下从海水中提取淡水，特别是对于缺乏基本基础设施的发展。

近年来，太阳能驱动的界面蒸发技术将太阳能-热转换过程定位在液-蒸汽界面，已成为一种新型的太阳能利用技术。与传统的整体加热相比，界面蒸发系统表现出更高的蒸发效率和更快的热响应，是海水淡化的一种潜在的替代方案。

当第一界面蒸发技术以来，人们对提高界面蒸发系统的热性能进行了许多研究。一个典型的太阳驱动的界面蒸发系统由三个重要部分组成：

具有高太阳吸收的太阳能吸收器，并有效地将太阳照射转化为热能；隔热器，将转换后的热量转移到散装水；以及一个供水路径。

它连续地将水从大量水吸到太阳能吸收器的表面，在以往的研究中，大量的研究人员致力于通过合成宽带和太阳能吸收材料，优化设计新的供水路径，改善隔热结构提高整体太阳能-蒸汽转换效率。

到目前为止，太阳能驱动的界面蒸发系统已经被用于许多工业过程，诱导太阳能蒸馏，太阳能杀菌，太阳能淡化和太阳能发电。为了实现系统的高蒸发性能，探索太阳能吸收材料的跨太阳能光谱的宽带吸收。

为太阳能驱动的界面蒸发系统开发和探索的太阳能吸收材料，主要包含碳质材料、等离子体粒子和光谱选择性吸收材料。其中，天然黑色、碳质材料具有较强的太阳-热转换能力，适用于宽带和高强度的太阳能吸收器。

由于太阳能吸收率高、成本低、稳定性好，许多碳基太阳能吸收剂已被研究，包括碳纳米管、石墨和还原的氧化石墨烯。经过多年的发展，该系统在日光照下的太阳-蒸汽转换效率已经达到了90%以上。

虽然在开发太阳能吸收材料和设计界面蒸发结构方面有了很大的改进，但以前报道的大多数太阳能淡化装置都是由于脱盐过程中蒸发器顶部表面的盐积累。积累的盐阻碍了太阳的吸收，阻塞了多孔蒸发器，导致太阳-热转化效率低，蒸发性能差。

传统的物理方法如超声波和水浸一般被用来去除积累的盐，但这些方法很容易造成界面蒸发结构的损伤。

为了减少界面蒸发系统中盐分的积累，许多研究都集中在开发疏水蒸发。然而，疏水蒸发器限制了对顶部表面的供水，从而降低了系统的蒸发性能。解决这个问题的另一种方法是使用亲水蒸发器，这使多余的盐从顶部表面移动到散装水。

迄今为止，许多研究集中在设计亲水蒸发器，如亲水纤维素织物膜，纸基亲水膜和生物灵感蒸发器。但开发一个长期稳定和高度高效的太阳驱动界面蒸发系统仍然是一个重大挑战。

在这项研究中，我们展示了一种抗盐、高度高效的太阳能吸收和快速热响应还原氧化石墨烯（rGO）泡沫，用于低荧光太阳能照明下的太阳能驱动界面淡化。

在新的多孔结构中，选择了亲水性三聚氰胺泡沫体（MF）作为基底，不仅扩大了太阳吸收的表面积，而且增强了多重散射。

还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫的表面亲水性和孔隙度，为太阳热转换区提供了充足的润湿和融合，以及水的快速补充，同时避免了盐的积累。

利用还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫的高性能，太阳能驱动的界面系统能够在89.6%的太阳能-蒸汽转化率。

此外，通过将还原氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫集成到商业太阳能剧照中，我们设计和制造了一种太阳能驱动的界面海水淡化装置，该装置在一日光照下的太阳能-水转换效率为56.4%。由于太阳能淡化，收集的清洁水是可饮用的质量要求。

优越的蒸发性能和太阳能-热转换材料的可扩展性，太阳能驱动的界面海水淡化该系统在海水淡化的实际应用中提出了广阔的应用前景。

太阳能淡化转热材料的可扩充性

基于还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫的界面蒸发系统所示，Ter氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫位于中间，外部被一层聚乙烯（PE）泡沫包裹，构建自泡界面蒸发系统。

利用碲还原氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫快速吸收入射太阳辐射，将太阳能转化为热量，产生界面蒸发的驱动力。另一方面，亲水性还原氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫可以不断地将盐水吸入蒸发区。

三氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫的多孔结构允许产生的蒸汽逸出到环境中，促进太阳光的捕获，从而提高太阳到热的转换效率。还原氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫具有多孔和亲水性，使其将水进入上述蒸发结构，同时将浓缩盐分解回大量海水中。

在蒸发过程中，泡沫处的盐浓度高于底部海水的浓度。浓度的变化会促使盐分解到散装水中。此外，周围的聚乙烯泡沫不仅使还原氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫，能够自然地聚集在水面上，而且还抑制了周围盐水造成的热量损失。

无需复杂的施工设计，界面蒸发系统可以在水面上连续有效地运行。此外，由于蒸发发生在气液界面，当界面消退时，界面蒸发系统可以自主移动。碲还原氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫是界面蒸发系统的关键组成部分。

将三聚氰胺泡沫浸入氧化石墨烯胶体悬浮液中，制备还原氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫，然后用水热法将氧化石墨烯还原到还原氧化石墨胺中。直径3.5 cm、厚度1.6 cm的还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫塑料很容易制作，其颜色呈深黑色。

使用三维光学显微镜观察到的还原氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫材料表面的粗糙度。所得到的图像显示，高度变化超过300 μm。太阳热转化复合材料的粗糙表面结构主要归因于三聚氰胺泡沫材料的多孔结构，改性的还原氧化石墨烯也增加了表面的粗糙度。

表面粗糙度放大了太阳吸收表面积，同时增加了入射太阳光的多次散射，从而提高了系统的太阳-热转换效率。制备的三聚氰胺泡沫在不同的放大倍数下的微观结构。氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫表面呈起皱且相互连接的网络结构。

rgo涂层的三聚氰胺泡沫的孔径在20~40μm之间。开放的孔隙结构和褶皱表面有利于氧化石墨烯的沉积。由于多孔三聚氰胺泡沫的亲水性，还原氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫具有良好的水润湿性。

一旦一个水滴接触到还原氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫的表面，它就会在0.5秒内被完全吸收。还原氧化石墨烯复合材料的亲水表面可以在多孔结构内快速引导排水。通过比较吸水前和吸收前的质量变化，测定了还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫的孔隙率。

氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫材料的孔隙率可达85.55%。还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫的太阳能吸收直接影响了系统的太阳-热转换效率。为了评价抗盐能力，将还原氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫置于氯化钠溶液中（3.5 wt%）中。

然后把3g固体氯化钠置于上表面，将Tergo涂层的三聚氰胺泡沫置在1 kW m−2的太阳能密度下。固体盐的用量在120 min后逐渐溶解。还原氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫中的Te孔允许将水泵送到蒸发器的上表面。

当阳光照射在r氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫的顶部表面时，rgo涂层的三聚氰胺泡沫的温度在几分钟内迅速升高，并在整个蒸发过程中保持在35°C。由于盐的溶解度取决于温度，所以温度越高，加速了盐的溶解，因此盐铁可以重新溶解到表面的水中。

在还原氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫中，具有高吸水能力的无数孔隙，可以向顶表面提供连续的供水，盐可以从顶表面移动到水的亚层。温度的变化，导致了上蒸发表面和体之间的盐度变化。

在这项工作中，一种稳定、抗盐、高效和快速热响应还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫，用于低熔度太阳能照明下的太阳能驱动界面淡化。

为了获得宽带和有效的太阳能吸收，对多孔亲水性三聚氰胺泡沫修饰了三聚氰胺泡沫，从而增加了太阳能吸收表面积，增加了多重散射。

基于rGO包覆三聚氰胺泡沫的太阳能界面蒸发系统在1 kW m的太阳功率密度−2下表现出快速的热响应，实现了89.6%的稳态太阳热转换效率。最后，我们将还原氧化石墨烯涂层的三聚氰胺泡沫蒸发器集成到太阳能蒸馏器中，

在1 kW m−2下，可以产生56.4%的饮用水，并存在盐积累。我们预计这种太阳能驱动的界面海水淡化装置可以应用于孤立的岛屿或在海洋中生存，从丰富的海水或其他盐水资源中收集饮用水。

结论

脱盐rGO涂层三聚氰胺泡沫作为一种创新的高效太阳能海水淡化技术，具有巨大的潜力和应用前景。它不仅可以为缺水地区提供可靠的淡水资源，还可以减少对传统能源的依赖，降低能源消耗和环境污染。

我们相信，这项研究的成果将会对解决全球淡水资源短缺问题做出重要贡献，并推动可持续发展的实现。