CEJ|用于高效海水淡化的光热复合涂层增强激光诱导石墨烯蒸发器

研究背景：

正如联合国可持续发展目标报告所宣布的那样，水资源短缺是一项严重的全球挑战，直接影响数十亿人的生活。为了应对这一严峻的挑战，海水淡化技术因其在沿海地区提供可持续和清洁淡水的潜力而引起了人们的极大兴趣。特别是太阳能驱动的蒸发技术，它利用连续的光热转换来同时净化水和分离盐杂质，已成为一种环保和节能的策略。尽管太阳能驱动蒸发具有成本低、环保和材料可用性广等优点，但太阳能驱动蒸发的实际实施受到太阳能光利用效率低下、局部盐覆盖和蒸发性能不稳定等限制的阻碍。克服这些限制需要开发坚固、经济高效的光热材料，这些材料可以协同增强光和热的利用，抑制盐的局部积累，并最终实现改进的蒸发性能。

碳基材料以其卓越的宽带光吸收和高效的光热转换而闻名，已成为太阳能驱动蒸发装置的重要光热材料。石墨烯作为最著名的碳基材料之一，具有高导热率 （5300 W/m·K）、高比表面积 （2630 m2/g）和宽波长吸收 ，由于其独特的二维蜂窝晶格结构和电子能带结构。然而，传统的石墨烯制造方法，如水热法、化学气相沉积、热剥离和冷冻干燥，面临着关键的局限性，如复杂的多步骤工艺、昂贵的制造设备和困难的精密图案控制。这些限制严重限制了光热蒸发器的可扩展生产和目标应用。

最近，激光诱导石墨烯（LIG） 技术已经能够在各种基材上大规模制造图案化石墨烯材料，包括木材、聚合物、和织物，因为激光加工的图案精度可控且成本低。特别是，激光处理的织物为太阳能驱动的蒸发装置提供了三个关键优势。首先，织物本身具有分层微结构，有助于捕获更多的太阳能并增强光热转换。其次，织物的亲水性使通过毛细管作用能够将无能量的水补充到蒸发区。第三，织物具有强大的机械强度、柔韧性和可折叠性，有助于创新的 3D 蒸发器设计（例如锥形、螺旋形）并提高蒸发性能。然而，LIG 与织物的简单集成仍然受到次优光热转换和不利盐结晶的挑战，并且难以实现实际应用。

在这里，我们报道了一种超亲水锥形蒸发器 （SCE），其太阳能吸收率分别提高了96%，蒸发效率提高了93.4%。性能的提高在于由PANI（聚苯胺）和 Cu 纳米颗粒组成的光热复合涂层的合理设计。复合涂层协同增强等离子体-光热效应，并优化了 LIG 覆盖织物上基于毛细管效应的水传输。此外，我们赋予 SCE 圆锥结构，以实现对太阳能光的高效捕获和局部脱盐。我们发现SCE 的蒸发速率增强至2.25 kg·m−2·h−1，比传统 LIG 蒸发器高出250% 以上。SCE 在高浓度盐水蒸发测试中也表现出良好的耐盐性和优异的净化能力。我们设想我们的设计将成为沿海和偏远地区获取淡水的有前途的解决方案。

相关成果以“Photothermal composite coating-enhanced laser-induced graphene evaporator for efficient seawater desalination”为题发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上。

研究结论

总之，我们提出了一种具有强大蒸发性能的超亲水锥形蒸发器。通过 LIG 覆盖的 Kevlar 织物、PANI/Cu 复合涂层和锥形蒸发器结构的结合，我们实现了高效宽带光谱光吸收和超亲水蒸发器表面，具有连续供水和局部脱盐功能。我们还在户外海水淡化实验中证明了蒸发器出色的净化能力。总体而言，该蒸发器具有蒸发效率高、耐用性和制造成本低等显著优势，在海水淡化应用中显示出广阔的潜力。

研究数据

图 1.（a） LIG、PANI/Cu 复合涂层和 SCE 的制造;（b） PANI/Cu/LIG 表面的 SEM 图像;（c） PANI/Cu/LIG 表面的 EDS 元素图;（d） PANI/Cu/LIG 表面水的反重力输运;（e） PANI/Cu/LIG 表面水滴输送的动态过程;（f） PANI/Cu/LIG 表面和正常 LIG 表面的水吸入速度比较。

图 2.（a） LIG、PANI /LIG 和 PANI/Cu/LIG 样品的全带吸收光谱;（b） 3 个样品在 400-700 nm 太阳波段的吸收光谱;（c） 1 个阳光下 SCE、SE 和 LE 表面温度场分布的模拟图;（d） 三维圆锥结构的光吸收原理示意图;（e） 1 个阳光下 SCE、SE、LE 和 Kevlar 织物在水面上的时间演变温度变化。

图 3.（a） SCE 实验装置示意图和光学图像;（b） 在 1 个阳光下 SCE 的水分蒸发质量随时间的变化;（c） 不同光照下 SCE 水分蒸发质量的变化;（d） 不同蒸发器在 1 个阳光下的蒸发速率和蒸发效率比较;（e） 不同光照下 SCE 蒸发速率和蒸发效率的变化;（d） 不同浓度盐水下 SCE 蒸发速率的比较，光照射为 1个阳光下。

图 4.（a） 蒸发器表面盐覆盖率的光学图像。使用含 10 wt% 的 NaCl 溶液。（b） 盐覆盖面积的时间演变变化。（c） SCE 上局部脱盐的起源示意图。（d） 连续的水输送形成一层稳定的水膜，覆盖 SCE 的蒸发表面并立即溶解盐。（e） SCE 对 3.5 wt% 盐水的长期性能稳定性。

图 5.（a） 和 （b） 室外实验装置的示意图和光学图像;（c） 海水淡化前后实际海水中主要阳离子的浓度;（d） 室外环境中 SCE 蒸发速率随太阳通量、温度和相对湿度的变化;（e） SCE 与以前作品的性能比较。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165619

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