北理工曲良體教授課題組在ACS Nano發(fā)表文章
發(fā)布日期：2017-05-05 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 張盼盼
編輯：秦月 審核：曲良體 閱讀次數(shù)：近來,，垂直排列的宏觀微觀結(jié)構(gòu)研究成為熱點,，利用這種特殊的結(jié)構(gòu)運用在儲能器件、催化,、太陽能水蒸發(fā)等各個領(lǐng)域也逐漸吸引人們的眼球,。北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院曲良體課題組近日在ACS Nano上發(fā)表了相關(guān)文章。文中利用單軸定向冷凍的思路,，將GO混合溶液通過冷凍,、干燥、煅燒的方法,，最終形成長程有序的垂直排列管狀結(jié)構(gòu),。利用該種特殊管狀結(jié)構(gòu)，作為水蒸發(fā)的傳送通道,，實現(xiàn)在太陽能等光源下,，水分高效快速地蒸發(fā)?；谶€原氧化石墨（rGO）一些獨特的性質(zhì),，得到的VA-GSM（Vertically aligned graphene sheets membrane）膜具有很高的吸光率和超高穩(wěn)定性。
經(jīng)過測試,，該膜分別在一個光源和四個光源的情況下,，水的蒸發(fā)率能達(dá)到1.62 kg· m-2·h-1和6.25 kg·m-2·h-1，其太陽能轉(zhuǎn)換率分別可達(dá)到86.5%和94.2%,，這比以往報道過的大多數(shù)碳材料的太陽能轉(zhuǎn)化率都要高,。而這種用途對于緩解水資源危機(jī)起到了很好的作用，它可以將不同來源的水（海水,、廢水以及濃酸,、濃堿溶液）高效快速地轉(zhuǎn)化為凈水。在之前相關(guān)方面的研究中，采用的材料為3D陽極氧化鋁膜,、聚吡咯沉積不銹鋼網(wǎng),、基于金納米顆粒薄膜的無塵紙等，它們不能在有機(jī),、強(qiáng)腐蝕性酸和強(qiáng)堿等惡劣環(huán)境中使用,，因此不能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化,。而文中得到的VA-GSM材料具有高孔隙率,、高吸光率，而且在惡劣環(huán)境中也能夠穩(wěn)定存在（能承受3000 oC的高溫以及-196 oC的低溫）,，優(yōu)勢十分明顯,。
VA-GSM制備過程大致如圖1a-c：在7 mg·mL-1的GO溶液中混入少量乙醇（GO：ethanol = 30:1）形成混合溶液，再將溶液倒入一定尺寸的PTFE模具中,，將該模具放入液氮中進(jìn)行單軸定向冷凍,，利用冰晶生長形成長程有序的垂直排列結(jié)構(gòu)，將該結(jié)構(gòu)進(jìn)行干燥,、煅燒,，最終便得到VA-GSM，其SEM見圖1d-i,。另外,，該種方法得到的樣品宏觀尺寸大小可以根據(jù)模具的尺寸進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
整個實驗中,，有機(jī)溶劑乙醇起到了至關(guān)重要的作用,。根據(jù)經(jīng)驗，不加入乙醇很難形成如此規(guī)整的長程有序結(jié)構(gòu),。而加入少許乙醇后,，猜測由于去離子水和乙醇的冰點不同，兩者無法實現(xiàn)在同一溫度進(jìn)行冷凍,，這對冰晶形成的結(jié)晶造成影響,，最終使得石墨烯隨著冰晶的軸進(jìn)行定向排列，形成了垂直排列,、具有高度取向的結(jié)構(gòu),。文中也驗證了，這對于其他幾個與水互溶的有機(jī)溶劑（甲醇,、丙酮,、正丙醇）也適用,。結(jié)合石墨烯化學(xué)性質(zhì)和冰晶物理學(xué)性質(zhì),，在一定程度上，該法對于制造Vertically aligned結(jié)構(gòu)的塊材具有普適性。
另外,，文章也驗證了VA-GSM大片層的力學(xué)性質(zhì),，發(fā)現(xiàn)該材料可用進(jìn)行隨意彎曲、剪切以及在較大壓力下進(jìn)行壓縮測試,。文章解釋道,，這可能與垂直排列的結(jié)構(gòu)中，夾雜著rGO的片層結(jié)構(gòu)起到一定的支撐作用有關(guān),。在應(yīng)用方面,，文中組裝成了如下裝置進(jìn)行水蒸發(fā)實驗（如圖2）。
采用在裝滿水的玻璃容器上放置聚苯乙烯泡沫,，上面鋪上一層玻璃纖維,，然后最頂部放上VA-GSM，在光照的情況下,，檢測頂部溫度的變化,，以及檢測水蒸氣的出現(xiàn)，證明該裝置確實能對太陽能水蒸發(fā)起到高效的作用（熱傳導(dǎo)率可達(dá)到3.8 mW·m?1·K?1）,。此外,，用于海水凈化中，吸收后對凈水離子進(jìn)行吸收檢測,，其含量低于世界衛(wèi)生組織WHO規(guī)定值,，而且比傳統(tǒng)的一些凈水裝置凈水效果高出很多（如圖3）。
相關(guān)論文發(fā)表在ACS Nano（DOI: 10.1021/acsnano.7b01965）Vertically Aligned Graphene Sheets Membrane for Highly Efficient SolarThermal Generation of Clean Water上,。
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