太陽能高效制清潔水，北理工在海水淡化取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2018-05-02 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 崔琳凡
編輯：秦月 審核：趙文祥 閱讀次數(shù)：隨著世界人口不斷增加,，水資源短缺問題日益嚴(yán)重,。然而地球上的淡水資源極其有限,，因此人們希望通過海水淡化、污水清潔處理來解決這一問題,。利用可再生清潔能源——太陽能,，通過光-熱轉(zhuǎn)化，進(jìn)行太陽能驅(qū)動的水蒸發(fā),，是實現(xiàn)海水淡化的有效途徑之一,。太陽能驅(qū)動水蒸發(fā)技術(shù)的開發(fā)主要針對提高材料的光熱轉(zhuǎn)化能力以及降低蒸發(fā)過程的熱損失，以實現(xiàn)高效率的太陽能利用,。然而,，現(xiàn)有太陽能驅(qū)動水蒸發(fā)產(chǎn)生清潔水的速率十分有限，限制了這項技術(shù)的實用化,。
鑒于此,，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院研究生崔琳凡在曲良體教授指導(dǎo)下開發(fā)了一種基于石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)，結(jié)合光-電-熱效應(yīng)的利用太陽能海水淡化新方法,，實現(xiàn)了清潔水產(chǎn)水速率的大幅度提高,，為太陽能高效制清潔水打開了大門，相關(guān)研究成果發(fā)表于國際重要期刊《Advanced Materials》,。
圖1 光-電-熱效應(yīng)示意圖
這種石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)由多孔石墨烯（PGS）和石墨烯箔（GF）組成,。PGS部分接收太陽能實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換，同時多孔結(jié)構(gòu)可以提供有效的水蒸發(fā)通道,。GF具有較高的導(dǎo)電性并與太陽能電池板連接,，在太陽光照射下，太陽能電池板產(chǎn)生電能,，GF由于具有較好的電熱性能會產(chǎn)生熱量,，進(jìn)而可以提高材料的溫度，有效地提高水蒸發(fā)速率,。
圖2 石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)在室外自然光條件下模擬海水淡化過程
在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光照射下測試表明,，結(jié)合光-電-熱效應(yīng)的水蒸發(fā)速率可以達(dá)到2.01-2.61 kg m-2 h-1。水蒸發(fā)速率可以通過調(diào)控光電轉(zhuǎn)換進(jìn)一步提高,。在室外自然太陽光下,，按8h計算，利用每平方米的石墨烯材料可以收集8.6kg淡化清潔水,，只需幾平方米就能滿足數(shù)人的日常飲水需求,。
研究團(tuán)隊在石墨烯的可控制備、結(jié)構(gòu)調(diào)控與組裝方面的工作已積累多年,。去年曾利用定向冷凍組裝的方法,，獲得長程有序,、垂直排列的石墨烯材料。該種材料具有高吸光率和高穩(wěn)定性,，其特殊陣列結(jié)構(gòu)作為水蒸發(fā)的良好傳送通道,，可實現(xiàn)在太陽光下，水分高效快速地傳輸與蒸發(fā),。Nature Nanotechnology以“Water remediation: A steam nanogenerator”為題對此項工作進(jìn)行報道,。
同時，課題組近期還與美國德州大學(xué)奧斯汀分校的余桂華教授和美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校楊榮貴教授合作,，開發(fā)了一種高分子基的多層級納米凝膠材料,，實現(xiàn)了高效、快速的水蒸發(fā)及鹽水分離,。在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽光照射下,，水蒸發(fā)速率可以到達(dá)3.2kg m-2 h-1, 光熱轉(zhuǎn)化效率達(dá)到94%。研究成果發(fā)表于Nature Nanotechnology (2018),。
圖3 高分子基的多層級納米凝膠材料自然光條件下模擬海水淡化過程
這幾項研究為海水淡化和污水處理提供了全新思路,，并大大提高了清潔水的產(chǎn)量，有望很快應(yīng)用于大規(guī)模太陽能光熱海水淡化等領(lǐng)域,。
相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金委,，科技部和北京市科學(xué)技術(shù)委員會的資助。
附論文相關(guān)鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201706805
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