水是人類(lèi)社會(huì)生存與發(fā)展必不可少的重要自然資源。但是，由于分布不均，大量安全和清潔水資源的儲(chǔ)備有限，目前有超過(guò)10億人遭受飲用水短缺的困擾。太陽(yáng)能蒸汽發(fā)電技術(shù)可能是目前使用可持續(xù)太陽(yáng)能緩解飲用水短缺問(wèn)題的最有前途的技術(shù)之一。光熱氣凝膠(PTMs)，通過(guò)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱量集中在其表面，快速地加熱和蒸發(fā)薄層水，從而實(shí)現(xiàn)高蒸汽速率和能量轉(zhuǎn)換效率。其中，三維（3D）的石墨烯氣凝膠是目前研究最廣泛和最接近實(shí)際應(yīng)用的，其在太陽(yáng)能產(chǎn)生蒸汽具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，如重量輕，柔性高，蒸發(fā)速率和能量效率高等特性。然而，有一個(gè)比較嚴(yán)重的問(wèn)題是石墨烯的價(jià)格相對(duì)昂貴，所以在實(shí)際生活中大規(guī)模應(yīng)用該類(lèi)PTM在經(jīng)濟(jì)合理性上任具有非常大的挑戰(zhàn)性。因此，如果要讓3D氣凝膠PTM被市場(chǎng)所接受，就必須制定一種在不影響效率的前提下減少此類(lèi)材料中石墨烯含量的策略。其中，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種理想有效的方法就是使用生物質(zhì)材料作為3D氣凝膠的骨架載體，替代所用的部分石墨烯。
【研究成果】
針對(duì)以上難題，近日，南澳大利亞大學(xué)徐浩蘭研究員（通訊作者），Daniel Peter Storer（第一作者）采用還原氧化石墨烯（RGO）納米片，海藻酸鈉（SA）以及從稻草中提取的纖維素作為原料制備了3D光熱氣凝膠，用于太陽(yáng)能水蒸發(fā)獲取純凈水。研究結(jié)果表明，稻草纖維素作為支撐骨架發(fā)揮著重要作用，不僅減少了RGO的使用量，并且提高了所得光熱氣凝膠的機(jī)械穩(wěn)定性和柔韌性。在RGO和SA含量相同的情況下，RGO-SA氣凝膠的體積為4.92 cm3，遠(yuǎn)小于RGO-SA-纖維素氣凝膠（7.06 cm3）的體積，這表明稻草纖維素至少可以減少RGO 43.5％的使用量。與RGO-SA-纖維素相比，RGO-SA氣凝膠在被負(fù)荷（500 g）壓縮后無(wú)法恢復(fù)其原始形狀。此外，所制備的光熱RGO-SA-纖維素氣凝膠具有明顯的吸水能力，由于其多孔結(jié)構(gòu)和超親水性，能夠吸收約自身重量20倍的水。并且，光熱氣凝膠顯示出96-97％的強(qiáng)寬帶光吸收率。在產(chǎn)生太陽(yáng)蒸汽期間，3D光熱氣凝膠不僅有效地減少了輻射和對(duì)流能量損失，同時(shí)也增強(qiáng)了從環(huán)境中收集能量的能力，從而實(shí)現(xiàn)了2.25 kg m-2?h-1的極高蒸發(fā)速率，相當(dāng)于在1.0陽(yáng)光照射下的88.9％ 能量轉(zhuǎn)換效率。離子測(cè)試結(jié)果顯示，實(shí)際海水蒸發(fā)過(guò)程中收集到的凈水鹽度僅為0.37 ppm。因此，生物質(zhì)纖維素部分替代還原石墨烯使得該類(lèi)光熱氣凝膠材料不僅環(huán)保且具有成本效益，在現(xiàn)實(shí)世界的海水淡化應(yīng)用中具有巨大潛力和實(shí)際應(yīng)用前景。該研究成果以題為“Graphene and Rice-Straw-Fiber-Based 3D Photothermal Aerogels?for Highly Efficient Solar Evaporation”的論文發(fā)表在《ACS Applied materials and interfaces》上(見(jiàn)文后原文鏈接)。
【圖文詳解】
1.?RGO-SA-纖維素氣凝膠的制備
首先，將RGO納米片（1 mg mL-1）和SA（5 mg mL-1）與纖維素分散液合并，并通過(guò)超聲處理和攪拌充分混合以產(chǎn)生均質(zhì)的黑色RGO-SA -纖維素懸浮液。然后，將黑色分散體（8.7mL）加入到3.2 cm直徑的容器中，預(yù)冷凍并冷凍干燥。然后將制得的氣凝膠樣品浸入5％（w / w）的CaCl2水溶液中過(guò)夜，用Milli-Q水洗滌幾次，冷凍并冷凍干燥，以生成適合的Ca2+交聯(lián)RGO-SA-纖維素氣凝膠用于太陽(yáng)蒸發(fā)。通過(guò)控制RGO-SA纖維素分散液的用量，制備了不同高度的RGO-SA纖維素氣凝膠。
2.?光熱氣凝膠機(jī)械性能和柔韌性
如圖2a,b所示，直徑為3 cm，高度為1 cm的RGO-SA-纖維素氣凝膠的密度僅為34.3?mg cm3；RGO-SA-纖維素氣凝膠超聲處理兩個(gè)周期（每個(gè)周期5分鐘）后，沒(méi)有觀察到任何的黑色物質(zhì)從氣凝膠中脫落（圖2c， d），樣品保持著非常好的完整性。此外，在室溫（RT）下，濕潤(rùn)的RGO-SA-纖維素氣凝膠（直徑3厘米×厚度1厘米）可以輕松支撐約206 g的重量（如圖2e），其重量是其自身重量的940倍以上?，沒(méi)有任何變形的跡象。同時(shí)，RGO-SA-纖維素氣凝膠也顯示出優(yōu)異的柔韌性。當(dāng)堆疊在RGO-SA-纖維素氣凝膠上的兩個(gè)銅立方體（每個(gè)500克）擠出了所有吸附的水（圖2g）時(shí)，除去銅立方體后，氣凝膠能夠重新吸收水并恢復(fù)其原始形狀（圖2f，h）。
3.?光熱氣凝膠的吸光性和吸水性
光吸收性能是表征光熱氣凝膠應(yīng)用于太陽(yáng)能水蒸發(fā)的重要參數(shù)之一。與純纖維素氣凝膠相比，RGO-SA-纖維素氣凝膠在整個(gè)紫外線??近紅外(NIR)?(290 – 1400 nm)測(cè)量范圍內(nèi)都顯示出更高的光吸收率（91.5-93％）（圖3a）。樣品用水潤(rùn)濕后，在相同光范圍內(nèi)，光吸收率反而進(jìn)一步提高到96-97％（圖3a）。這主要的原因是引入折射率介于空氣和RGO之間的水層可以減少總反射損耗，從而提高光吸收率。光熱氣凝膠的親水性通過(guò)水滴在0.2 s內(nèi)的快速吸收得到證實(shí)（圖3d）。當(dāng)將RGO-SA-纖維素氣凝膠放在棉塊的上表面時(shí)，它在20 s內(nèi)被水完全潤(rùn)濕（圖3e），從而確認(rèn)了棉塊和氣凝膠之間的有效水轉(zhuǎn)移。
4.?光熱氣凝膠的太陽(yáng)能-熱能-水蒸發(fā)轉(zhuǎn)換效率
在1.0?太陽(yáng)光照下，RGO-SA-纖維素氣凝膠（直徑3 cm，厚度1 cm）的蒸發(fā)表面的平均溫度在1分鐘內(nèi)從最初的18.3°C升高到24.9°C（如圖4a），表明氣凝膠表面具有非?？焖俚毓鉄崮芰哭D(zhuǎn)換。隨著光熱氣凝膠高度的增加，氣凝膠的表面溫度的降低了（圖4a，d），對(duì)于2厘米和3厘米高的氣凝膠，表面溫度僅分別為31.8和30.7°C。較低的表面溫度更有利于水蒸發(fā)，因?yàn)樘?yáng)蒸發(fā)過(guò)程中較低的表面溫度將導(dǎo)對(duì)環(huán)境的輻射和對(duì)流損失減。對(duì)于高度分別為1、2和3 cm的RGO-SA-纖維素氣凝膠，在1.0個(gè)太陽(yáng)照射下計(jì)算出的蒸發(fā)速率分別為1.37、1.85和2.25 kg m-2?h-1。
5.?RGO – SA -纖維素氣凝膠用于海水淡化的實(shí)際可行性
通過(guò)電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）測(cè)量在1.0陽(yáng)光照射下從海水蒸發(fā)中收集的水的鹽度。如圖5a所示，收集到的蒸汽中Na+和Mg2+的濃度均遠(yuǎn)低于原始海水中的濃度，所有四種主要離子的濃度（K+：0.19 ppm，Ca2+：0.15 ppm，Na+：0.37 ppm ，并且產(chǎn)生的蒸汽中的Mg2+：0.04 ppm）遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織（WHO）的可飲用水淡化水標(biāo)準(zhǔn)確定的鹽度水平。并且，在太陽(yáng)能蒸發(fā)期間沒(méi)有觀察到鹽在蒸發(fā)表面上的沉積。由于光熱氣凝膠的超親水性和出色的吸水能力，表面上的鹽離子可以迅速擴(kuò)散到水中，以抵消蒸發(fā)表面上的鹽度增加。RGO-SA-纖維素氣凝膠的穩(wěn)定性通過(guò)在1.0太陽(yáng)輻射下的循環(huán)性能測(cè)試來(lái)評(píng)估海水的過(guò)量蒸發(fā)。在為期2天的測(cè)試的15個(gè)循環(huán)中，平均蒸發(fā)速率為2.0±0.2 kg m-2?h-1（圖5b）。蒸發(fā)速率的輕微變化是由于環(huán)境濕度和溫度的波動(dòng)所致。
由于RGO-SA-纖維素氣凝膠超親水性和多孔的結(jié)構(gòu)，其具有出色的吸水能力。對(duì)于3厘米高的光熱氣凝膠，可以吸收其自身重量20倍以上的水（圖6a，b），這使太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生而無(wú)需與外部大量供水接觸。對(duì)隔離的光熱氣凝膠在1.0太陽(yáng)照射下連續(xù)蒸發(fā)8小時(shí)的研究發(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)小時(shí)內(nèi)，蒸發(fā)速率達(dá)到1.60 g h-1（T：25°C，RH：24.6％），接下來(lái)的一小時(shí)（T：25°C，RH：27.7％）任具有1.46 g h-1的蒸發(fā)速率。此外，由于光熱氣凝膠的親水性和出色的機(jī)械柔韌性，可以通過(guò)補(bǔ)充水迅速恢復(fù)。補(bǔ)充水后，同一RGO-SA-纖維素氣凝膠，在1.0個(gè)太陽(yáng)光照射下，其初始蒸發(fā)速率又返回到1.45 g h-1（T：25°C，RH：27.5％）。
【小結(jié)】
在3D RGO-SA-纖維素光熱氣凝膠中，稻草纖維素晶體作為骨架支持物，其不僅增強(qiáng)了光熱氣凝膠的柔韌性和機(jī)械穩(wěn)定性，并且在保證優(yōu)異的光熱效率的同時(shí)大幅度減少昂貴的RGO的使用量。所獲得的RGO-SA-纖維素氣凝膠具有滿足太陽(yáng)能蒸發(fā)應(yīng)用的多個(gè)優(yōu)異特性，如親水性多孔結(jié)構(gòu)，重量輕，寬帶光吸收強(qiáng)，可重復(fù)使用，機(jī)械穩(wěn)定性和出色的柔韌性等特性。在3 cm高的光熱RGO-SA-纖維素氣凝膠上進(jìn)行1.0次太陽(yáng)輻照時(shí)，達(dá)到了2.25 kg ?m-2?h-1的穩(wěn)定蒸發(fā)速率，相當(dāng)于88.9％的能量轉(zhuǎn)換效率。并且，通過(guò)該類(lèi)型光熱材料獲得凈化水可以輕松滿足WHO和USEPA設(shè)定的清潔飲用水標(biāo)準(zhǔn)。
原文鏈接：
