碳材料在能源捕獲、存儲和利用等方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景。近年來，采用太陽光實現(xiàn)高效率界面蒸發(fā)成為新的研究熱點，在眾多新型材料中碳材料表現(xiàn)尤為優(yōu)異。
利用界面蒸發(fā)的方式可為清潔能源的高效利用，海水淡化，污水處理等提供新的解決方案。受制于太陽光較低的能量密度(1 kW m2)，目前大多數(shù)新型材料可實現(xiàn)太陽能光熱界面蒸發(fā)速率依然處于較低的水平，僅為自然蒸發(fā)速率(0.5 kg m 2 h 1)的3倍左右。
而且，利用太陽能光熱實現(xiàn)界面蒸發(fā)的速率不夠穩(wěn)定，受天氣、太陽光輻照晝夜變化等因素的影響，在陰天、夜晚、室內(nèi)等環(huán)境下使用效果較差。采用物理裝置匯聚太陽光增強能量的措施，成本較高，這也是目前很多太陽能設(shè)備難以大面積推廣應(yīng)用的主要原因之一?；谇鍧嵞茉矗ㄈ缣柲堋L(fēng)等）的電力供給已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，尤其離線電力成本逐年降低，為采用新能源供電的界面蒸發(fā)提供了新機遇。
最近，上海交通大學(xué)趙斌元副教授(Associate Professor Binyuan Zhao)課題組與倫敦城市大學(xué)(City, University of London)喬治丹尼斯助理教授、國際化學(xué)工業(yè)協(xié)會(Society of Chemical Industry, SCI)中英分會主席吳衛(wèi)平博士(Dr Weiping Wu)課題組、牛津大學(xué)材料系Robert Bradley教授合作，在介孔碳-地聚物復(fù)合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)風(fēng)能、太陽能光熱界面蒸發(fā)， Advanced Functional Materials,?28, 1870332, 2018, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201870332, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201803266, 環(huán)境友好多級孔和大孔碳材料光熱蒸發(fā)，RSC Advances, 9, 29414, 2019等前期工作的基礎(chǔ)上，在持續(xù)、穩(wěn)定、高速率的界面蒸發(fā)方面取得了重要進展。他們基于納米光學(xué)超材料和超表面原理，結(jié)合一維+二維(1D+2D)材料設(shè)計的新思路，發(fā)明了一種新型的柔性石墨烯/碳纖維布全碳基復(fù)合材料rGO-CC，并設(shè)計了復(fù)合材料-親水纖維布-隔熱泡沫三層結(jié)構(gòu)用于光熱和電熱蒸發(fā)。其中，巧妙地采用電化學(xué)沉積在碳纖維布表面沉積氧化石墨，并通過電加熱對氧化石墨進行原位焦耳熱還原，制備了石墨烯/碳纖維布復(fù)合材料。
該工作作為正封面（圖1）發(fā)表在Wiley旗下期刊Advanced Sustainable Systems上(Graphene-Carbon Composites for Solar and Low-Voltage Powered Efficient Interfacial Evaporation. Advanced Sustainable Systems, 4, 1900122, 2020)，博士生劉豐華（Fenghua Liu）為論文第一作者，趙斌元副教授和吳衛(wèi)平博士為通訊作者。
該結(jié)構(gòu)基于全碳材料，成本低，可柔性折疊彎曲，環(huán)境友好，可同時采用太陽能光熱能及低驅(qū)動壓電(僅需1伏到3伏供電)產(chǎn)生的焦耳熱，實現(xiàn)高速率、高效率、穩(wěn)定、綠色環(huán)保的界面蒸發(fā)(圖2)。該方案不僅適用于采用清潔能源的海水淡化，還可廣泛適用于各類蒸發(fā)、蒸餾、污水處理、消毒殺菌等領(lǐng)域。
碳纖維布柔性優(yōu)異，電導(dǎo)率高，且紫外、熱穩(wěn)定性好，在可見光及近紅外區(qū)域的光學(xué)吸收較高，與石墨烯復(fù)合后其光學(xué)吸收能力得到進一步提高，達到97%左右。在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽的輻照強度(AM1.5G，1 kW m 2)，rGO-CC復(fù)合裝置的光熱蒸發(fā)速率達到2.54 kg m 2 h 1，高達水自然蒸發(fā)速率的5倍，顯著優(yōu)于其它新型材料。這主要是由于整個復(fù)合結(jié)構(gòu)較薄，熱量局域化控制效果優(yōu)異，且該全碳復(fù)合材料具有相對較大的孔隙結(jié)構(gòu)和適宜的表面性質(zhì)，利于蒸汽的傳質(zhì)和快速逸出(圖3所示)。
此外，他們進一步采用低電壓驅(qū)動的焦耳熱效應(yīng)，有效的解決了光熱蒸發(fā)的不穩(wěn)定和速率低等問題。碳纖維布及其與石墨烯的全碳復(fù)合材料，具有高度石墨化的結(jié)構(gòu)，電導(dǎo)性能優(yōu)良，采用該材料在較低的電壓下即可實現(xiàn)顯著的焦耳熱效應(yīng)。實驗表明，當(dāng)施加低電壓時，表面焦耳加熱溫度極為容易突破水的沸點(100攝氏度)，最高加熱溫度可達到385攝氏度，而且啟動時間短，加熱溫度可調(diào)（圖4）。隨著電壓即輸入功率的增加，界面蒸發(fā)可實現(xiàn)大幅度提升。疏水性碳布在3 伏特低電壓下，蒸發(fā)速率高達45.87 kg m 2 h 1（圖5）。
這項研究工作取得了太陽光熱海水淡化、界面蒸發(fā)領(lǐng)域的突破性進展。利用電場焦耳熱和太陽能光熱相結(jié)合的策略，有望成為穩(wěn)定持續(xù)、高速率界面蒸發(fā)的最有效的解決方案，在海水淡化、污水處理、飲用水凈化和新能源利用等方面具有廣闊的前景，為可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境保護、氣候變化和緩解淡水資源短缺等問題提供了一種極具潛力的解決方案。
論文獲得了審稿人高度評價，“Authors of this manuscript mainly report the synthesis of graphene-carbon composites and also their applications in the field of the water evaporation. This work would potentially contribute to the development of the water evaporation, especially, the utilization of low voltages to increase the evaporation rate”，并被Advanced Sustainable Systems選為該刊2020年第4卷第3期正封面(https://onlinelibrary.wiley.com/toc/23667486/2020/4/3)。
該項目獲得了英國創(chuàng)新署(Innovate UK, Grant 104013)、英國研究與創(chuàng)新署(UK Research and Innovation, UKRI)，全球研究挑戰(zhàn)基金(Global Challenges Research Fund，簡稱GCRF)和上海市科委(STCSM, Grant 17230732700)的資助。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adsu.201900122
