济南大学《JECE》：通过低成本、石墨烯/纤维素气凝胶和多种能源利用，促进太阳能蒸汽的产生和海水淡化

成果简介

太阳能界面蒸汽发生技术为海水淡化和废水处理提供了一条前景广阔的途径，同时最大限度地减少了碳足迹。在构建低成本太阳能蒸发器以实现快速水传输通道和高通量蒸发率方面仍面临巨大挑战。本文，济南大学闫良国 教授教授等在《Journal of Environmental Chemical Engineering》期刊发表名为“Boosting solar vapor generation and desalination by low-cost reduced graphene oxide/cellulose aerogel and multiple energy utilization”的论文，研究通过一步自组装方法，制备了一种含有还原氧化石墨烯和纤维素纳米纤维（rGC）的气凝胶。这种气凝胶具有优异的光吸收性能和超亲水性，并能降低水蒸发所需的能量。

在太阳光照射下，rGC-3（高度为3cm）的蒸发率达到 3.19kg m-2 h-1，蒸发效率为114.3%。悬浮水蒸气通过定向对流得到及时扩散，从而最大限度地减少了水蒸气在开放式通道中的停滞，并持续获得额外的环境能量。在 2.5m s-1 的对流条件下，水蒸发量提高到9.40kg m-2 h-1，远高于非对流条件下的 200.3%。此外，三维rGC-3在3.5wt% 的盐水中持续蒸发，蒸发率保持在 8.61- 9.39kg m-2 h-1之间。在室外太阳能海水淡化中，rGC-3在弱阳光和相对低温条件下具有优异的海水淡化性能和蒸发性能。纳米纤维气凝胶蒸发率的提高、整体海水净化能力的增强和高性价比为设计高通量太阳能界面蒸发器提供了新的灵感。

图文导读

图1.（a） rGC气凝胶的制备示意图。（b-d）rGC气凝胶的SEM图像。CNF、rGO和rGC的 （e） FTIR 和 （f） XPS谱图。（g） rGC的C1s XPS谱图。

图2.（a） 干燥和水合状态下CNF和rGCs的光学段落。（b） CNF和rGC气凝胶中的饱和水含量和水传输速率。（c） CNF、rGO和rGC的光学吸光度光谱。（d） CNF和rGC气凝胶在1次阳光照射下的顶面温度。（e）太阳照射 3次下完全水合rGC-1的红外图像。（f） 不同光强下rGC-3中顶面和侧面的温度。

图3.（a） 太阳照射下不同高度rGCs水的质量变化。（b） 太阳照射3次下1D rGCs的增强因子。（c） 2D蒸发器和3D rGCs在1次太阳照射下的能效。（d） rGC-3 与其他已报道的蒸发器在 1 次太阳照射下的蒸发率和能源效率的比较。（e）通过三种传热方式与rGC-3环境进行热交换。（f） rGC的O-H拉伸能量区拟合曲线。（g） 纯水和rGC的热谱图。（h） rGC中水运量的数值模拟。

图4. (a) rGC-3在不同对流和太阳照射下的蒸发率。(b) rGC-3在不同对流条件下的蒸发系数。(c) rGC-3与其他蒸发器在 3 m s-1 以下对流条件下的蒸发行为比较。(d、e）rGC-3在不同对流和1太阳辐照条件下顶部和侧面温度随时间的变化。(f) 在不同对流条件下，rGC-3通过三种热传导方式与环境进行热交换。(g) rGC-3在不同对流和太阳照射下蒸发30分钟后的红外图像。(h, i) 2.5 m s-1 对流条件下rGC-3蒸发器的空间对流和相对湿度分布模拟。

图5：(a) rGC-3 在盐水中的太阳能海水淡化。(b) 在太阳光照射下，rGC-3 溶解盐的照片。(c) 不同对流条件下实际水的蒸发率。(d) rGC-3 在 3.5 wt%盐水中昼夜连续蒸发七天的情况。(e、f）模拟 8 小时辐照下 rGC 在实际海水中的盐分分布。(g) 盐结晶和盐溶解的动态平衡。(h) 太阳能照明下的水净化和水收集示意图。(i) 海水蒸发前后四种主要离子的浓度。

图6. (a, b) 室外蒸发和净水收集的光学照片和示意图。(c) 2023 年 5 月 23 日 9:00 至 17:00 的室外太阳光通量、环境温度和对流条件。(d) 1.5m s-1 对流条件下的室外蒸发率和累积蒸发量。(e) 在太阳自然辐照下一周内的累积蒸发量。(f) rGC-3 与其他蒸发器的成本效益比较。(g) rGC 在甲子湖的净化性能。(h) rGC-3 在蒸发率、能效、2.5 m s-1 对流条件下的强化蒸发、耐盐性和成本效益方面的蒸发性能。

小结

我们以CNFs为蒸发基底，以 rGO为太阳能利用材料，提出了一种用于高效太阳能蒸发的三维 rGC。rGC 的各向异性网络具有丰富的亲水官能团、92% 的优异光吸收能力和相互连接的多孔结构。rGC 的亲水性使其能够迅速将足够的水分子从体水补充到顶层表面。在 rGC 中形成的毛细管水降低了水的汽化焓，促进了水蒸气的产生。三维 rGC-3 与环境能量收集相结合，在太阳光照射下实现了 3.19 kg m-2 h-1 的相对较高蒸发量，能量效率达到114.3%。引入对流后，蒸发界面的悬浮水汽得到有效扩散，蒸发冷却效果更加显著。

因此，在 2.5 m s-1 的对流条件下，蒸发率增加到 9.40 kg m-2 h-1，是输入光照强度的 6.39 倍。在 2.5 米速-1 条件下，rGC-3 的海水蒸发量略有下降（8.91 千克米-2 小时-1）。在 2.5 m s-1 的条件下，连续 8 小时的海水变化率可保持在 8.69 – 9.39kg m-2 h-1 。在微弱的阳光下，室外海水淡化系统中的纯净水保持在 52.01 kg m-2 d-1 左右。rGC具有显著的蒸发行为、多种能量利用方式、巨大的脱盐能力和卓越的成本效益，在大规模水净化和高通量淡水收集方面具有巨大潜力。

文献：https://doi.org/10.1016/j.jece.2023.111795