清华曲良体课题组《EcoMat》：基于石墨烯功能结构的太阳能水净化最新进展

成果简介

太阳能净水器能够利用取之不尽的、无污染的太阳能从非食用水中获取淡水，正在蓬勃发展以解决全球水资源短缺问题。由于具有引人注意的特性，许多基于石墨烯的材料被用于太阳能系统，从界面太阳能蒸汽发电到太阳能污染物降解，甚至大气水收集。因此，本文，清华大学程虎虎   、曲良体教授课题组在《EcoMat》期刊发表名为“The promising solar-powered water purification based on graphene functional architectures”的综述，研究首先介绍了对石墨烯的操作，包括化学调节和结构工程，随后在石墨烯基太阳能水净化的三个主要方面取得了最新进展，即快速产生蒸汽、有效降解污染物和显着收集大气水分。并详细讨论了材料设计与净水性能之间的关系。最后，总结了挑战并提出了相应的可能解决方案，旨在为基于石墨烯功能架构的太阳能净水器的蓬勃发展提供科学和技术启示。

图文导读

2.1  石墨烯的化学调控与结构工程

石墨烯具有许多优异的理论性能，如高导热率（5300Wm-1K-1）13高载流子迁移率（2.5×10^5  cm2 V-1s -1）、优异的机械性能、和极高的比表面积（2600m2  g -1），使它成为先进太阳能净水系统的有希望的候选者。然而，单层石墨烯片的光吸收极低，大约 97.7% 的光可以通过它，使其不适用于太阳能热转换。在这个程度上，对石墨烯进行合理的化学调控和结构工程对于太阳能系统的实际应用具有重要意义。

图1、石墨烯的化学调控与结构工程。

2.2   界面太阳能-蒸汽发电

图2、基于石墨烯的ISSG示意图，以及用于蒸发增强的相应架构设计

2.3 太阳污染物降解

传统的蒸馏可以有效地收集对人类很重要的淡水。然而，残留在污水中的污染物可能会导致环境恶化。如图所示，基于石墨烯的光降解系统是解决残留废水的另一种有前途的替代方案，它可以仅使用阳光分解水中的污染物。选择性掺杂的石墨烯本身表现出良好的光降解率。此外，通过与催化剂复合，石墨烯基功能体系对有机化合物（如亚甲基橙、亚甲基蓝、）表现出优异的降解性能。双酚 A、罗丹明 B、2,4-二氯苯酚 ) 和高价金属离子的还原，由于载流子迁移率高、比面积大、吸附性强等优点。

图3、基于石墨烯的光催化降解系统和结构设计的示意图，以提高催化性能

总之，已开发出基于石墨烯的光降解系统以提高可见光的利用率和可回收性，这将为未来水污染物的太阳能分解提供亮点。

2.4 太阳能大气集水

据报道，大气中约有 13000 万亿升水以蒸汽和液滴的形式存在，这可以为人类提供替代淡水资源。开发了雾收集和露水系统，以在高湿度条件下获得淡水。随着水凝胶、 盐、和MOF、等具有强大和有效吸水能力的吸湿材料的发展即使在沙漠中，基于吸附的大气水收集也变得普遍和适用。然而，水的解吸和收集过程很困难，必须辅以额外的设备，能源成本高，限制了实际应用。最近，基于石墨烯的材料表现出优异的太阳能热转换和诱导快速水释放能力，构建了一系列太阳能大气集水器（SAWH）。例如，王及其同事开发了石墨烯气凝胶/CaCl 2溶液体系，其中 CaCl 2溶液从空气中吸收水分，石墨烯气凝胶在阳光照射下产生热量将其释放到容器中。然后，在容器壁上获得液态水（图 4A）。由于石墨烯太阳能转化率高，解吸效率高达66.9%，整个系统每天每平方米可获取2.89公斤水。

最重要的是，基于石墨烯的SAWHs是新生的水净化系统，目前引起了很多关注和许多研究，以进一步提高其产水率和实际利用的可行性。

图4、基于石墨烯的大气集水器和增加水产量的结构设计

小结与展望

过去几年见证了石墨烯基材料在太阳能净水应用中的快速发展。在这篇综述中，总结和讨论了太阳能海水淡化、太阳能污染物光降解和太阳能大气集水三个主要方面。针对不同体系存在的问题，石墨烯的引入和合理的结构设计在一定程度上促进了净化性能的提高，为未来的实际应用铺平了道路。同时，在真正实现工业化之前，还有一些挑战需要克服。

1. 石墨烯的成本是一个相当大的因素，包括经济成本和生态成本。由于工艺复杂，氧化石墨烯的制备花费了大量资金。同时，合成对环境的污染也不容忽视。因此，应采用激光烧蚀、3D打印等新的加工工艺，简化加工工艺，促进石墨烯基太阳能净化器的量产。
2. 有必要提高太阳能净水器的机械性能和耐用性。太阳能净水系统中使用的许多石墨烯基复合材料是3D石墨烯气凝胶或水凝胶。由于框架中的石墨烯片分布松散，无法长时间使用或循环使用。碳纳米管、聚合物等其他材料可以与石墨烯框架复合在一起，以增强其机械性能。同时，对太阳能净水设备进行稳健的结构设计以规避侵蚀、氧化或人为损坏等风险也很重要。
3. 对整体净化系统进行全面、系统的设计。例如，蒸发率是目前太阳能ISSGs的主要评价指标，而水蒸气的凝结更为重要，因为液态水的产出是太阳能淡化的重点。同样的问题也存在于太阳能大气集水系统领域，因此应更加重视寻求可行的解决方案。同样，对于光降解领域的光催化剂，由于废水中都存在药物、农药、食品等各种污染物，因此应扩大光降解的普遍性。同时，还应考虑二次污染。因此，接下来的研究工作应该以更全面的视角进行，

总之，实验室中石墨烯基太阳能净水系统的快速发展在可持续应用中显示出令人着迷的价值。随着太阳能系统在化学、材料、工程技术等方面的不断努力，解决全球水资源短缺的美好未来可能即将到来。

文献：https://doi.org/10.1002/eom2.12205