本期分享發(fā)表在Desalination雜志上題目為“Manipulating π electron behavior of graphene for remarkable solar steam generation and salt recovery”的研究文章。
Part 1 文章簡介
太陽能蒸汽發(fā)電是一種有前途的可持續(xù)技術(shù)，可應(yīng)對全球水資源短缺和能源短缺問題。盡管人們一直致力于開發(fā)強大的材料和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)，但對于出色的太陽能蒸汽發(fā)電而言，同步調(diào)節(jié)太陽吸收和光熱材料組裝中的電子行為仍然不太好。在此，通過改變 C/O（sp2/sp3）比來精細地操縱石墨烯的 π 電子，從而進一步調(diào)節(jié)石墨平面上的 π 共軛網(wǎng)絡(luò)，進而調(diào)節(jié) 3D 自組裝。首先結(jié)合實驗和理論研究了 π 電子調(diào)控對脫氧氧化石墨烯 (dGO) 的太陽吸收和光熱轉(zhuǎn)換性能以及 dGO 氣凝膠的太陽界面蒸發(fā)和鹽回收性能的影響：1) 具有高 C/O 比的 dGO 呈現(xiàn)相當(dāng)大的 π 共軛網(wǎng)絡(luò)，降低了帶隙，導(dǎo)致平均太陽吸收率高達 97.6%； 2）由C/O比為4.63的dGO納米片自堆疊而成的dGO氣凝膠π-π在吸水和隔熱之間實現(xiàn)了最佳平衡，在一個太陽輻射下可實現(xiàn)5.82 kg m-2 h-1的超高蒸發(fā)率；3）“U”形dGO氣凝膠設(shè)計精良，可回收鹽，回收率高達0.374 kg m-2 h-1，且具有長期蒸發(fā)性能。這項工作為設(shè)計高效太陽能界面蒸發(fā)器開辟了一條有效途徑，對碳質(zhì)和聚合物基光熱材料尤其具有重要的參考意義。
? Part 2 主要圖表
方案1是由π電子操縱的dGO氣凝膠用于太陽能蒸汽產(chǎn)生的示意圖。（1）具有較大π共軛結(jié)構(gòu)的dGO具有較低的帶隙，有利于太陽吸收和光熱轉(zhuǎn)換。（2）dGO氣凝膠通過π-π相互作用自組裝，其多孔結(jié)構(gòu)可以通過毛細作用將水向上吸入。（3）在特定容器中，通過GO的熱液反應(yīng)可以獲得“U”形。dGO氣凝膠的凹槽將光捕獲在內(nèi)部并增強光的反射，而鹽沉淀僅發(fā)生在頂部邊緣，實現(xiàn)了鹽的分離并減輕了水蒸發(fā)的衰減。
圖1是dGO 的分子結(jié)構(gòu)隨熱液溫度而變化。（a）在不同熱液溫度下制備的 GO 和 dGO 的 XPS 測量光譜。（b）GO 和 dGO 的 C/O 比和總氧含量隨熱液溫度而變化。（c）GO 和 dGO 的 C 1 s XPS 光譜隨熱液溫度而變化。（d）dGO 中各種官能團的含量和 sp2 C/sp3 C 比隨熱液溫度而變化。原始數(shù)據(jù)在補充信息表 S1 中給出。（e）GO 通過熱液反應(yīng)分子結(jié)構(gòu)演變的示意圖。插圖：橙黃色區(qū)域為 π 共軛結(jié)構(gòu)。
圖2是dGO 的太陽吸收和電結(jié)構(gòu)。（a）GO 和 dGO 的 UV-vis-NIR 吸收光譜。彩色區(qū)域顯示太陽光譜輻照度 (AM 1.5G)。（b）dGO 片劑表面溫度隨時間變化（左）和相應(yīng)的紅外照片（右）在一個太陽輻射下。（c）C/O 比從 2.0 到 9.0 不等的 dGO 模型的自旋極化態(tài)密度。（d）具有不同 C/O 比的 dGO 模型的球棒圖，考慮到主要的石墨烯-氧相互作用是環(huán)氧鍵合。（e）計算出不同 C/O 比下的電帶隙趨勢。
圖3是3D dGOA的多孔結(jié)構(gòu)和供水情況。（a）在不同水熱溫度和時間下制備的dGOA的數(shù)字圖像。上：從左到右的dGOA分別在水熱溫度下制備，水熱時間為120°C、150°C、180°C和200°C。水熱時間為6小時。下：從左到右的dGOA分別在水熱時間為3小時、6小時、12小時、18小時和24小時時制備。水熱溫度為150°C。（b）dGOA橫截面的SEM圖像。插圖：dGOA表面的SEM圖像。（c）在不同水熱溫度下制備的dGOA的孔徑和密度。（d）在不同水熱溫度下制備的GO和dGOA的水接觸角。 （e）dGOA 中毛細水上升的拉普拉斯壓力和高度隨熱液溫度的變化。插圖顯示了親水和疏水孔中毛細水的示意圖。（f）在不同熱液溫度下制備的 dGOA 的含水能力。（g）完全水合 dGOA-120°C 在一個太陽輻射下的紅外圖像。（h）完全水合 dGOA-150°C 在一個太陽輻射下的紅外圖像。（i）dGOA 之間的綜合性能比較。
圖4是3D 太陽界面蒸發(fā)系統(tǒng)和實驗結(jié)果。（a）3D SIE 系統(tǒng)的示意圖（左）和照片（右）。dGOA 布置在 PS 泡沫上，并在氣凝膠和泡沫之間放置一張吸水紙以將水向上吸。（b）在不同熱液溫度下制備的 3D dGOA 在 1 個太陽輻射和黑暗條件下水的質(zhì)量變化隨時間的變化。（c）在不同熱液溫度下制備的蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率。（d）我們的工作與報告結(jié)果的比較。原始數(shù)據(jù)在補充信息表 S2 中給出。（e）本體水和 dGOA 的熱流-溫度曲線。（f）dGOA 中水的拉曼光譜，擬合峰顯示自由水和中間水。（g）12 小時測試中 dGOA 的質(zhì)量變化和蒸發(fā)速率的時間變化。 (h) dGOA 在一個太陽輻射下的循環(huán)蒸發(fā)性能。(i) 帶有 9 個 dGOA 陣列的太陽能蒸餾器在陽光照射前后的光學(xué)照片。(j) 不同天氣條件下（7 天）dGOA 的總水收集量。原始數(shù)據(jù)在補充信息表 S3 中給出。(k) 海水淡化前后四種主要海水離子的濃度。
圖5是dGOA 的形狀調(diào)節(jié)和鹽收集。（a）在相應(yīng)形狀的石英玻璃容器中形成的不同形狀的 dGO 水凝膠的照片。（b）各種形狀的聚四氟乙烯 (PTFE) 容器的照片（上）以及在 PTFE 容器中形成的相應(yīng) dGOA（下）。（c）在一個太陽照射下連續(xù) 12 小時脫鹽測試期間的“U”形 dGOA 的照片。（d）在一個太陽照射下連續(xù) 12 小時的“U”形 dGOA 在 10 wt% 鹽水中的蒸發(fā)率。（e）與其他太陽能海水淡化裝置相比的“U”形 dGOA 的鹽收集率。原始數(shù)據(jù)在補充信息中的表 S4 中給出。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.desal.2025.118855
引用：Tang, Qiang, et al. "Manipulating π electron behavior of graphene for remarkable solar steam generation and salt recovery." Desalination (2025): 118855.
歡迎各位科研人分享自己的研究工作，請將研究工作或自行擬好的推文發(fā)送到竹子學(xué)術(shù)郵箱，竹子學(xué)術(shù)郵箱為：zhuzixueshu@163.com。
熱門跟貼