新加坡南洋理工大学Xing Yi Ling教授《AFM》：光热效率高达到98%！太阳能驱动的海水淡化

自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的能量生存。自古人类就懂得用阳光晒干物件，并制作食物的方法。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已经成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能利用现有的最普遍的利用方式是光电转换和光热转换两种。因此利用光热材料将太阳能转换成热能并应用于海水淡化和蒸汽产生对环境友好型能源和可再生能源有着非常重要的意义。在所有光热材料中，石墨烯的高宽带吸收、高比表面积以及出色的热稳定性具有非常大的潜力。但是由于难以同时做到提高光的吸收率和抑制热损失，很高的能量转换效率依然是个挑战。基于石墨烯薄膜的太阳能热蒸发器在单位阳光辐射量下的总能量转换效率小于40%。基于这些问题，新加坡南洋理工大学Xing Yi Ling教授和Alexander Govorov教授团队合作，合成了MOF基石墨烯纳米复合物，在太阳能驱动海水淡化领域取得重要进展，光热效率高达98%。相关成果以“Intensifying Heating Using MOF-Isolated Graphene for Solar-Driven Seawater Desalination at 98% Solar-to-Thermal Efficiency”为题，在顶尖学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上发表。

该工作提出了沸石咪唑化物骨架分离的石墨烯（G@ZIF）纳米复合物，利用超薄的ZIF层和G@ZIF界面纳米腔来协同增强光吸收和热定位，实现了光热转换效率的大幅提升。在没有任何外部光集中的模拟单日照下，通过将G@ZIF与氧化铝膜集成在一起，实现了有效的蒸汽发生器，具有高达96%的太阳能到蒸汽转化效率。而且G@ZIF光热蒸汽发生器可以实现接近100%的高效海水淡化和净化污水。

一、G@ZIF的制备

为了制备G@ZIF，作者使用了原位生长方法，在室温条件下将甲醇硝酸锌和2-甲基咪唑溶液添加到石墨烯分散液中。ZIF首先在石墨烯表面成核，最后生长成平均厚度约177nm的连续薄膜，在两侧完全包封石墨烯。XRD表征证明了石墨烯表面上原始的ZIF结构，拉曼分析还表明了ZIF涂层和嵌入的石墨烯片都存在振动信号。

二、G@ZIF的光热性能

作者认为G@ZIF的强光热性能来源于两个协同效应。一是石墨烯和ZIF膜之间的界面纳米腔，放大光-石墨烯的相互作用长度，实现在整个太阳光谱范围内最小的透射率和反射率，增强了系统的光吸收能力。独特的亚波长织构化ZIF涂层、超薄ZIF厚度和两层之间的折射率变化都使得光集中在石墨烯表面进行吸收而不是被反射。二是由于ZIF的超低导热率（0.165-0.326 W/mK），石墨烯与ZIF层的完全封装防止传导和所产生的热量对流到周围环境，以及多孔ZIF层处捕获的气体分子存在来帮助减少热传导，从而大大抑制了向周围环境的热损失。

图1. G@ZIF的增强的光热性能。（A）光热实验装置的方案，其中使用红外相机将激光光束（532nm）照射在G@ZIF表面上，实时记录被照射样品的空间温度分布。（B）G@ZIF和石墨烯在90mW激光照射下随时间变化的温度曲线。（C）G@ZIF和石墨烯在激光照射下的热分析图。（D）G@ZIF在10次激光照射下随时间变化的温度曲线。（E）石墨烯和G@ZIF薄膜的UV-NIR吸收率。（F）与石墨烯相比，G@ZIF的吸光度增强的示意图。（G）当达到最大平衡表面温度时，在激光照射下中央照射区的空间温度分布。（H）与石墨烯相比，G@ZIF的热局部化和抑制热传递的示意图。

图2. G@ZIF的热损失管理。（A）ZIF在石墨烯表面不同覆盖率的示意图。（B）具有不同ZIF覆盖率的G@ZIF的实验和拟合温度时间曲线。（C）在冷却散热期间，具有不同ZIF覆盖率的G@ZIF的热损失时间。（D）G@ZIF，石墨烯和预形成ZIF纳米晶体的物理混合物的最高温度。（E）G@ZIF界面腔处的浓缩气体和受限气体对流的示意图。（F）共聚焦激光照射西石墨烯的拉曼光谱，随着环境温度。（G）石墨烯和G@ZIF在空气、氮气和二氧化碳中的拉曼。

三、G@ZIF的太阳能驱动淡化水处理应用

在此基础上，作者研究了干燥的G@ZIF薄膜的表面太阳能热响应，得到了98%的出色的太阳能转化为热能的效率。然后将G@ZIF蒸汽发生器直接放置在散装水表面上，并在光照下记录地表温度和水的重量随时间的变化。水的蒸发速率能达到1.78 kg/(m 2·h)，是没有蒸汽发生器的8倍。使用基于G@ZIF的蒸汽发生器来淡化海水和处理被染料污染的水，比较人造海水和冷凝水的含盐量，收集到的水的盐度降低了约10,000倍。

图3. G@ZIF用于高性能的太阳能海水淡化和水处理。（A）太阳能脱盐系统的示意图。（B）家用太阳能脱盐系统的数字图像，用于在太阳光照射下收集纯净水。（C）脱盐前后模拟海水样品中的盐度。（D）与传统膜相比，本工作的G@ZIF膜的脱盐效率。（E）染料污染的水系统的太阳能净化示意图。（F）初始染料污染的水和净化后的水的紫外可见光谱。

总之，本篇工作展示了一种在石墨烯上覆盖绝缘MOF层形成G@ZIF来增强石墨烯的光热能，从而显著提高太阳光光热转换效率的有效策略。本工作中独特的G@ZIF设计为设计和实现有效能量转换和大规模太阳能驱动应用的高性能光热材料领域提供了新的可能。

来源：高分子科学前沿

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