清华大学曲良体教授团队综述：石墨烯三维结构组装体制备及光热水蒸发和水处理研究进展

第一作者：陈清

通讯作者：曲良体、程虎虎

通讯单位：清华大学化学系，有机光电与分子工程教育部重点实验室；清华大学机械系，摩擦学国家重点实验室

主要亮点

石墨烯三维组装体材料的物理和化学性质优异，光热转化效率高，同时其太阳光吸收率高，内部微纳孔道丰富，具有良好的水传输通道，表面水蒸发面积大，在太阳光照射下能够实现超高的水蒸发速率，在光热水处理方面展现了巨大的科学研究意义和实用价值。本文全面阐述了石墨烯三维组装体的制备及光热水处理方面的研究进展，系统总结了石墨烯三维结构组装体在光热水蒸发及水处理方面的应用，深入分析了石墨烯三维结构组装体光热水处理面临的问题及展望。

此综述是石墨烯的功能与应用专刊邀请稿，客座编辑：国家纳米科学中心智林杰研究员、王斌研究员。

研究背景

水资源短缺是世界长期面临的问题，当前全球80多个国家的约15亿人口面临淡水不足，其中26个国家的3亿人口完全生活在缺水状态。近年来，人们开发了新型太阳能界面水蒸发材料和技术，能够利用高效光热材料吸收太阳能转化为热能，实现大量的、快速的水蒸发，冷凝后收集便得到洁净水，是一种高效、绿色、低成本水处理和解决水资源短缺的方法。石墨烯三维组装体材料的物理和化学性质优异，光热转化效率高，同时其太阳光吸收率高，内部微纳孔道丰富，具有良好的水传输通道，表面水蒸发面积大，在太阳光照射下能够实现超高的水蒸发速率，在光热水处理方面展现了巨大的科学研究意义和实用价值。本文中我们将对石墨烯三维结构组装体制备及光热水处理研究进展进行综述，首先介绍了制备方法，然后重点阐述石墨烯三维结构组装体光热水蒸发性能，随后介绍了其在水处理，清洁水收集方面的应用研究，最后分析了光热水蒸发实际应用存在的难点和挑战，并展望其未来发展，希望能够为此领域的研究和未来应用提供指导。

核心内容

1.  石墨烯三维结构组装体的制备方法

当前制备石墨烯的方法有很多，本文重点阐述了自组装法、溶液模板法、化学气相沉积法、3D打印法、溶液冻干法、溶胶凝胶法等。各种方法主要优缺点如下：自组装法具有简单易行，便于掺杂，适用性强，得到的产物性能较好等特点，在实际应用中需克服反应时间长、结构不易控制等问题。相比较自组装法，溶液模板法调控条件较为苛刻，但能够较好控制石墨烯内部三维微结构。化学气相沉积法制备得到的石墨烯三维结构组装体导电性能优异，但制备过程较复杂，在应用过程中还需解决成本高昂等问题。3D打印法在特殊构型的石墨烯三维结构组装体制备方面具有明显优势，特别是在应用器件方面可以直接成型，同时其制备所得材料的机械强度有待进一步的增强，打印速度有待进一步提升。溶液冻干法已被广泛应用于石墨烯三维结构组装体等材料的制备，最终材料内部微结构受到冷冻过程冰晶结构的制约，在研究过程中需要进一步实现其结构和形貌的精确控制。溶胶凝胶法适用范围广，在制备石墨烯三维结构组装体过程还需注意有机试剂的污染等问题。

图1  石墨烯三维结构材料不同的制备方法。

2.  光热水蒸发应用

水蒸发为水蒸汽后凝结可得到洁净水，但传统的热蒸馏要消耗大量的化石能源用来加热，会带来巨大环境污染。太阳能是一种清洁能源，其可再生、可持续，每年为地球提供的能源是人类消耗能量的1万倍。一直以来，人类都希望能够利用太阳能加热水体产生水蒸气，进而生产清洁水。但传统的太阳能水蒸馏材料和装置，太阳能利用率低，光热转化效果差，水蒸发速率不高。近年来发展的界面高效光热水蒸发材料和技术，依靠先进光热水蒸发材料的开发，能够将太阳能水蒸发转换效率从传统的20%提高至90%以上，展现了极好的光热水处理前景。本文重点阐述了纯石墨烯材料三维组装体、石墨烯/金属氧化物复合组装体、石墨烯/高分子聚合物复合组装体的光热水蒸发研究进展。纯石墨烯材料三维组装体方面：科学家已经在石墨烯三维结构组装体光热水蒸发研究方面开展了大量研究工作，特别是通过对石墨烯组装体的元素组成、物理微结构等一系列调控，实现了高的水蒸发速率，结合水传输通道调控，在1 kW·m⁻²光照条件下蒸发速率达到2.4 kg·m⁻²·h⁻¹。石墨烯/金属氧化物复合组装体方面：由于表面等离子共振作用，金属氧化物一般在特定的波长有很强的光吸收，但其也存在其余波段反射强度高的缺点，如果对其尺寸、形貌、结构等进行调控并于石墨烯复合，会增强石墨烯的光吸收效率。作为太阳能水蒸发材料，实现了接近100%光吸收，在1 kW·m⁻²光照条件下能量转换效率达到了93.8%。石墨烯/高分子聚合物复合组装体方面：高分子因为有较低的热导和较高的稳定性，同时，高分子与石墨烯复合后可能会改善石墨烯的内部形貌，改善与水的相互作用，进一步提高水蒸发效率，也受到了研究者的关注。

图2  不同石墨烯三维结构材料光热转换应用。

3.  光热水处理应用

石墨烯三维结构体光热水蒸发水处理是通过蒸发冷凝收集清洁水，得到的清洁水盐份、部分有机物和细菌的含量均符合饮用水标准要求，达到了水处理效果，是一项具有巨大应用潜力的新型水处理技术。Zhang等人报道了用垂直孔道结构石墨烯三维结构组装体材料脱盐净化水，处理后得到的洁净水Cr³⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺和Cu²⁺浓度均低于0.01 mg·kg⁻¹，离子去除率达到99.5%。本课题组用富含缺陷的石墨烯片制备成石墨烯三维结构体，用于光热水蒸发，并设计了小型户外实验装置，将取自中国东海的海水和北京市内湖泊淡水进行离子去除处理，处理后洁净水中Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺和B³⁺分别由原水中3500、180、87、38和0.46 mg·L⁻¹降低至1.1、0.055、0.032、0.033和0.12 mg·L⁻¹，远优于饮用水质量标准。从现有研究可以看出，光热水蒸发水处理效果理想，但还需要继续探索扩大适用条件，提高材料的使用寿命，并需进一步研究蒸发后原水体中被浓缩的污染物的处理方法。

图3  石墨烯三维结构材料光热水处理。

结论与展望

太阳能是取之不尽用之不竭的绿色能源，与其他能源相比优势明显，要想石墨烯三维结构组装体材料应用于光热水蒸发和水处理的实际生产中，还有一些问题要进一步研究。首先，当前石墨烯三维结构体的组装方法很多，但是，如何在组装体材料中发挥石墨烯的本征化学和物理特性，仍然面临挑战。其次，在光热水蒸发领域还需要围绕提高产水率，对石墨烯材料的太阳光吸收效率和热量转化利用效率进一步开展机理研究，并精准设计所需的宏观结构，调控优化材料性质。最后，为满足光热水蒸发和水处理的实际应用，在未来研究中，还需要有针对性的解决规模化、大尺度、低成本制备的问题。

参考文献及原文链接

陈清, 赵健, 程虎虎, 曲良体. 石墨烯三维结构组装体制备及光热水蒸发和水处理研究进展. 物理化学学报, 2022, 38 (1), 2101020. doi: 10.3866/PKU.WHXB202101020

Chen, Q.; Zhao, J.; Cheng, H. H.; Qu, L. T. Progress in 3D-Graphene Assemblies Preparation for Solar-Thermal Steam Generation and Water Treatment. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38 (1), 2101020. doi: 10.3866/PKU.WHXB202101020

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202101020

通讯作者

曲良体  教授

清华大学化学系教授，博士生导师。主要围绕功能结构与材料制备、先进能源器件、激光微纳制造等方面开展研究工作。

程虎虎  助理研究员

清华大学化学系助理研究员。主要研究方向为先进功能材料调控(石墨烯等)及新型能量转化和微纳能源存储。