收集太陽(yáng)能用于海水淡化已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用，如何提高轉(zhuǎn)化效率，降低轉(zhuǎn)化成本是當(dāng)前的重要課題。近日，南開大學(xué)研究小組展示了基于石墨烯的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器新研究成果。那么，新研究產(chǎn)品能帶來什么樣的驚喜呢？
海水淡化研究報(bào)喜 石墨烯泡沫片直接捕獲太陽(yáng)能
太陽(yáng)能是地球上所有能源的真正來源和終的來源。作為可再生能源和清潔能源的豐富和可持續(xù)的來源，太陽(yáng)能可用于光伏，光催化和太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換等多種工藝。對(duì)于太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換而言，收集太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能對(duì)發(fā)電，住宅供熱，海水淡化和污水處理等多種應(yīng)用起到了重要作用。在這方面，雖然已經(jīng)取得了很多進(jìn)展和很多方法，但是它們中的大多數(shù)仍然面臨著以更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更高的效率，改進(jìn)的可擴(kuò)展性和更低的成本的挑戰(zhàn)。
近，已經(jīng)提出金屬納米顆粒如金，氧化鋁和其他納米顆粒用于在太陽(yáng)輻射下產(chǎn)生蒸汽和清潔水。然而，高成本，復(fù)雜的制造工藝和潛在的安全問題已經(jīng)限制了其可能的實(shí)際應(yīng)用。因此，近年來，碳材料引起了很大的興趣，部分原因在于其低成本和的寬帶吸收，這是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能-熱轉(zhuǎn)化和水凈化應(yīng)用的重要的要求。
由石墨烯(go)大規(guī)模獲得的3d交聯(lián)聚合物石墨烯材料(3dgraphene)由于其多維/規(guī)模的納米/微米結(jié)構(gòu)已經(jīng)表現(xiàn)出許多基于石墨烯的優(yōu)異性能，例如超彈性，在環(huán)境條件下的氨合成。
近日，有學(xué)者基于石墨烯用于海水淡化和凈化的獨(dú)立太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器進(jìn)行研究。結(jié)果表明，由此制備的大塊三維交聯(lián)蜂窩狀石墨烯材料具有極高的特定水生產(chǎn)率、能源效率、黑體吸收率和對(duì)環(huán)境的熱損失極低等。展示了一種和可擴(kuò)展的海水淡化(四級(jí)鹽度遞減)和污水處理裝置。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，南開大學(xué)的陳永勝教授(通訊作者)等在acsnano上發(fā)表了題為“graphene-based standalone solar energy converter for water desalinationand purification”的研究論文，報(bào)道了基于石墨烯的用于海水淡化和凈化的獨(dú)立太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器的新研究進(jìn)展。
研究人員向我們展示了一個(gè)極其簡(jiǎn)單和獨(dú)立的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器，它僅由一個(gè)預(yù)制的3d交叉連接的蜂窩石墨泡沫材料組成，沒有任何其他的輔助組件。這種簡(jiǎn)單的一體化材料可以作為一種理想太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換器，能夠捕獲太陽(yáng)光并轉(zhuǎn)化為熱量，從而將來自各種水源的水分蒸發(fā)并在環(huán)境條件下產(chǎn)生純凈水，太陽(yáng)能通量也非常低、率。這種可伸縮的材料被用于在環(huán)境條件下從海水和污水中獲得純凈的飲用水。研究結(jié)果表明，通過使用一個(gè)簡(jiǎn)單的、可利用的、低成本的太陽(yáng)能熱水凈化系統(tǒng)，在各種環(huán)境條件下，一個(gè)性能良好的單片材料平臺(tái)為凈化水提供了范例的改變。
【圖片導(dǎo)讀】
圖-1.3d石墨烯材料的太陽(yáng)能熱性能
(a)3dg的吸收光譜。插圖的左側(cè)部分是顯示其多孔形態(tài)的sem圖像；插圖的右半部分是顯示它是超親水性的接觸角；
(b)左邊是在1kwm-2的太陽(yáng)輻射和沒有光照的情況下有/無3dg的水的蒸發(fā)量；中間是蒸汽產(chǎn)生和溫度分布(橫截面)的3dg的示意圖；右邊部分是垂直和側(cè)視1kwm-2以下的紅外圖像；
(c)不同材料的具體水生產(chǎn)率(水產(chǎn)量/重量3dg)圖像；
(d)3dg在一定光學(xué)濃度范圍內(nèi)蒸發(fā)過程的太陽(yáng)能熱效率圖像；
(e)在10kwm-2以下太陽(yáng)能照射下，3dg在不同水量下的性能圖像；
(f)3dg在1kwm-2和10kwm-2太陽(yáng)能照射下重復(fù)使用20次的圖像。
圖-2.3dg在不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的太陽(yáng)熱性能
(a)在可見光的不同波長(zhǎng)下產(chǎn)生蒸汽的光學(xué)圖像；
(b)650nm單色光波長(zhǎng)下不同光學(xué)濃度下的效率(左側(cè)軸)和相應(yīng)的水分蒸發(fā)速率(右側(cè)軸)圖像；
(c)在可見光和紅外光的1次太陽(yáng)輻射下，3dg的水蒸發(fā)質(zhì)量損失圖像；
(d)在100w微波(2450mhz)下用3dg測(cè)量水的蒸發(fā)質(zhì)量損失圖像。
圖-3.高性能機(jī)制和建模
(a)3dg結(jié)構(gòu)在蒸汽發(fā)生過程中的能量平衡和傳熱圖像；
(b)在蒸汽生成過程中放大3dg的熱環(huán)境圖像；
(c)實(shí)驗(yàn)蒸汽發(fā)生效率與3dg的不同厚度(模擬石墨烯層)圖像。
圖-4.在自然陽(yáng)光下清潔水源和戶外性能
a)脫鹽前后na+，k+，mg2+和ca2+的鹽度(離子重量百分比)圖像；
(b)太陽(yáng)能照明下的3dg污水處理性能圖像；
(c)24小時(shí)持續(xù)測(cè)量太陽(yáng)通量和清潔水的生成圖像。記錄一整天(0：00-24：00)的環(huán)境太陽(yáng)通量(紅線)，使用開放設(shè)備產(chǎn)生的蒸汽量(藍(lán)線)和使用覆蓋設(shè)備的冷凝水(綠線)。
【小結(jié)】
本文通過由一種基于石墨烯的石墨烯材料(3dg)直接制備的一個(gè)獨(dú)立的太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換器。研究結(jié)果表明，一個(gè)簡(jiǎn)單的獨(dú)立石墨烯泡沫片可以作為有效的太陽(yáng)能熱捕獲和轉(zhuǎn)換裝置。在正常(1個(gè)太陽(yáng))甚至更弱的陽(yáng)光下(低至0.25個(gè)太陽(yáng))，3dg材料可以以簡(jiǎn)單和可擴(kuò)展的方式直接用作率的清潔水發(fā)生器。此外，與其他海水淡化材料不同，輕質(zhì)彈性材料也非常便于使用，非常適合個(gè)人和工業(yè)應(yīng)用。這種易于使用的碳材料可以為太陽(yáng)能收集和簡(jiǎn)化水處理的應(yīng)用機(jī)會(huì)提供許多可能性。
原標(biāo)題：基于石墨烯的用于海水淡化和凈化的獨(dú)立太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器