太陽能高效制清潔水，北理工在海水淡化取得重要進展
發布日期：2018-05-02 供稿：化學與化工學院 崔琳凡
編輯：秦月 審核：趙文祥 閱讀次數：隨著世界人口不斷增加，水資源短缺問題日益嚴重。然而地球上的淡水資源極其有限，因此人們希望通過海水淡化、污水清潔處理來解決這一問題。利用可再生清潔能源——太陽能，通過光-熱轉化，進行太陽能驅動的水蒸發，是實現海水淡化的有效途徑之一。太陽能驅動水蒸發技術的開發主要針對提高材料的光熱轉化能力以及降低蒸發過程的熱損失，以實現高效率的太陽能利用。然而，現有太陽能驅動水蒸發產生清潔水的速率十分有限，限制了這項技術的實用化。
鑒于此，北京理工大學化學與化工學院研究生崔琳凡在曲良體教授指導下開發了一種基于石墨烯復合結構，結合光-電-熱效應的利用太陽能海水淡化新方法，實現了清潔水產水速率的大幅度提高，為太陽能高效制清潔水打開了大門，相關研究成果發表于國際重要期刊《Advanced Materials》。
圖1 光-電-熱效應示意圖
這種石墨烯復合結構由多孔石墨烯（PGS）和石墨烯箔（GF）組成。PGS部分接收太陽能實現光熱轉換，同時多孔結構可以提供有效的水蒸發通道。GF具有較高的導電性并與太陽能電池板連接，在太陽光照射下，太陽能電池板產生電能，GF由于具有較好的電熱性能會產生熱量，進而可以提高材料的溫度，有效地提高水蒸發速率。
圖2 石墨烯復合結構在室外自然光條件下模擬海水淡化過程
在一個標準太陽光照射下測試表明，結合光-電-熱效應的水蒸發速率可以達到2.01-2.61 kg m-2 h-1。水蒸發速率可以通過調控光電轉換進一步提高。在室外自然太陽光下，按8h計算，利用每平方米的石墨烯材料可以收集8.6kg淡化清潔水，只需幾平方米就能滿足數人的日常飲水需求。
研究團隊在石墨烯的可控制備、結構調控與組裝方面的工作已積累多年。去年曾利用定向冷凍組裝的方法，獲得長程有序、垂直排列的石墨烯材料。該種材料具有高吸光率和高穩定性，其特殊陣列結構作為水蒸發的良好傳送通道，可實現在太陽光下，水分高效快速地傳輸與蒸發。Nature Nanotechnology以“Water remediation: A steam nanogenerator”為題對此項工作進行報道。
同時，課題組近期還與美國德州大學奧斯汀分校的余桂華教授和美國科羅拉多大學博爾德分校楊榮貴教授合作，開發了一種高分子基的多層級納米凝膠材料，實現了高效、快速的水蒸發及鹽水分離。在一個標準太陽光照射下，水蒸發速率可以到達3.2kg m-2 h-1, 光熱轉化效率達到94%。研究成果發表于Nature Nanotechnology (2018)。
圖3 高分子基的多層級納米凝膠材料自然光條件下模擬海水淡化過程
這幾項研究為海水淡化和污水處理提供了全新思路，并大大提高了清潔水的產量，有望很快應用于大規模太陽能光熱海水淡化等領域。
相關研究工作得到國家自然科學基金委，科技部和北京市科學技術委員會的資助。
附論文相關鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201706805
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