【文献解读】J. Colloid Interface Sci. 用于高效太阳能蒸汽发电的石墨烯组装多孔纤维基Janus膜
背景介绍
近年来，具有Janus膜结构的光热物质作为一种新的材料出现在海水淡化领域。Janus膜蒸发器主要由两层结构组成，具有相反的润湿性，可用于不同的功能。在海水淡化过程中，上层疏水层作为吸附区，将太阳光转化为热能进行水分蒸发，下亲水层起到抽水的作用，以确保持续供水，并保护蒸发表面免受盐堵塞。利用Janus膜结构的优点，可以在蒸发器中实现高能量转换效率的快速蒸汽生成。目前，一系列光热物质（包括等离子体粒子、半导体和碳质材料）已被用于制造Janus膜蒸发器。石墨烯片（GSs）和碳纤维作为碳质材料的典型代表，由于其吸收光谱宽、重量轻、热稳定性和化学稳定性好等优点，被认为是太阳能蒸汽高效发电的候选材料。然而，作为一种二维材料，GSs在制膜过程中的堆叠特性限制了纳米尺度内的层间距。GS基Janus膜结构致密，表面相对光滑，不利于太阳能蒸汽发生过程中的水汽传输和光吸附，导致纯化水得率不高。对于碳纤维基Janus膜蒸发器，在太阳能蒸汽发生过程中可以形成有利于蒸汽传输的交错网络。然而，由于纤维表面致密光滑，碳纤维基Janus膜蒸发器的光散射和内反射能力有限。在光纤中很难实现光的多次反射，导致光的收集效率低。
考虑到上述GSs和碳纤维的优缺点，推测将二维石墨烯组装成一维粗糙、疏松、多孔的纤维，并进一步利用组装好的纤维制造Janus膜蒸发器，可以通过多次反射来提高集光性能，通过所构建的交错网络提高蒸汽输送能力。通过整合一维和二维碳质材料的优点，得到的材料结构将有利于高效太阳能蒸汽发电。
在此基础上，西北大学光子学与光子技术研究所王刚等人制备的GF基Janus膜蒸发器具有优良的机械性能，在一次太阳光照射下，蒸发速率可达1.40kg·m-2·h-1，能量转换效率为87.9%。该值远高于其他报道的Janus膜蒸发器，也优于制造的碳纳米管（CNT）和GS基Janus膜蒸发器。水净化实验结果表明，所制备的GF基Janus膜具有高效的海水淡化性能，无明显的积盐和重金属废水净化，利用新型石墨烯组装技术制备Janus薄膜蒸发器是一种很有前途的高效太阳能蒸汽发电策略。
图文解读
采用简易沉淀法在室温下制备了MgCO3纤维，采用气溶胶辅助化学气相沉积（CVD）法在常压下合成了GFs，采用真空过滤法制备了Janus膜蒸发器。Janus膜蒸发器制作示意图如图1中步骤四和步骤五所示，上面的GF层作为光吸收层，下面的纤维素纤维纸作为吸收和传输水层，采用相同的方法制备了CNT和GS基Janus膜蒸发器。将制造好的Janus膜蒸发器放置在100 ml烧杯中，烧杯中装满测试水（去离子水、海水或废水），烧杯置于校准电子天平上，用于实时监测蒸发过程中被测水的重量损失。
通过XRD和SEM对合成过程中的物相和形貌演变进行了详细的研究。通过N2吸附/解吸测量探索样品的孔隙率性质和比表面积（图2b），孔体积和比表面积分别为3.2 cm3/g和700.1 m2/g。得益于这种合成方法，GFs在2-30nm范围内具有丰富的介孔，这表明该材料具有优良的多孔性。由于介孔的存在，GFs具有高比表面积的优点，光很容易被捕获并到达材料内部，有利于光的利用。用XPS研究了GFs的表面化学组成。测量光谱显示主要的C1s峰（281.1eV）和少量的氧（530.9eV），进一步验证了碳质材料的成功制备（图2c）。
合成的GFs的表面形态如图3a-c所示。该材料呈现纤维状形态，长度为10-20μm，直径为1-2μm。然而，与MgCO3和MgO-C纤维相比，GFs的SEM图像显示纤维形态的形貌变化很小，具体来说，GFs比其前驱体表现出更弯曲的形状，这可能是由于当MgO骨架被移除时，组装的碳质材料收缩以降低表面能引起的。通过TEM进一步研究了GFs的微观结构（图3d-i），图3d-f中的低倍TEM图像表明纤维具有半透明的外观，高倍TEM图像如图3g和h所示，可以观察到GFs由波纹石墨烯片组成。这些碎片松散地堆积在一起，在相邻的波纹石墨烯片之间形成了纳米孔，进一步证实了材料中介孔结构的存在。图3i中的高分辨率TEM图像表明石墨烯片的厚度在1-3nm范围内，表明在我们的合成过程中形成了多层石墨烯。
过滤膜是由位于纤维素纤维网络支架表面的一层堆叠的GF顶层构成的双层Janus膜蒸发器。图4a显示了生成的GF基Janus膜蒸发器的外观，GF负载为0.66 mg·cm-2，直径为4 cm。图4b中基于GF的Janus膜蒸发器的图像表明其优异的柔韧性，表明纤维素纤维纸和GF层之间具有良好的粘合能力。图4c所示的Janus膜蒸发器顶面的SEM图像表明，层叠的GF层在具有各种纤维通道的交错网状结构中是不间断的，这有利于改善散射入射光和补充足够的蒸汽传输路径。图4d所示的Janus膜蒸发器底面的SEM图像表明，纤维素纤维纸呈现由微尺度纤维素纤维组成的无序多孔网络。
在6个太阳灯的照射下，使用红外显微镜相机研究了GF基Janus膜的顶面温度（表面质量密度为0.66 mg·cm-2）和本体水的底面温度作为辐照时间的函数（图5a）。Janus膜蒸发器的顶面温度在600s内迅速升高到77.3℃，并在较长时间内达到稳定温度约83℃。3600s后，散装水的底部温度从26.1℃缓慢升高到55.0℃。显然，在这个过程中可以获得29-43℃的大温差范围。对于散装水，其表面和底部温度在3600 s后逐渐从23℃升高至60℃，温差范围为0–4℃（图5b）。利用红外显微相机进一步研究了有无玻璃基Janus膜蒸发器系统在太阳辐射下烧杯内的温度分布。两个水容器在不同时间拍摄的红外图像如图5c所示，对于带有Janus膜蒸发器的水容器，蒸发器附近的温度在3600 s内急剧升高，在蒸发器区域的近端和远端之间出现了清晰的温度边界。然而，对于没有蒸发器的水容器，整个散装水中的温度增加温和而均匀，容器内看不到温度边界。基于以上比较结果，可以得出结论：在大量水中引入蒸发器可以获得较高的顶面温度和较大的温差。结果表明，GF基Janus膜蒸发器具有良好的热约束性能，可以有效地抑制热传导。
温度值略低于在GF基Janus膜蒸发器上获得的温度值，这也可以从水容器与两个蒸发器在2（图6a）和3太阳（图6b）下不同时间拍摄的红外图像比较中观察到。因此，相对较低的蒸发率（分别在1、2和3个太阳下）只能在基于CNT的Janus膜蒸发器上实现，基于GS的Janus薄膜蒸发器也显示出有限的光热性能。在1、2和3个太阳下，1800 s后蒸发器的顶面温度分别为31.5、39.2和48.0℃。基于以上比较结果，可以得出GF基Janus膜蒸发器的光热性能优于CNTS和GS基Janus膜蒸发器的结论，相反，由于碳纳米管表面相对致密光滑，照射在碳纳米管基Janus膜蒸发器表面上的入射光可以部分反射（图6d）。
基于GF基Janus膜蒸发器优良的生产水蒸汽的性能，研究了其在海水淡化中的应用，以渤海海域的海水为水源。脱盐后Na+、Mg2+、K+和Ca2+的浓度分别降低到相对较小的值0.32、0.08、0.13和0.02 mg/L（图7c），所有这些数值都远低于世界卫生组织（WHO）标准规定的饮用水的盐度。为了进一步研究蒸发器的耐盐性，通过SEM分析检查了蒸发器表面的盐积聚（图7d），从图中可以看出，蒸发器表面在开始时呈现交错的腹板结构。在海水淡化过程中，GFs表面出现少量海盐晶体的白点，表明存在积盐现象。通过对海水淡化过程的SEM分析，证实了蒸发器只能发生少量的海盐积累，说明蒸发器具有良好的耐盐性。
总结与展望
通过简单的过滤方法，将多孔GFs与纤维素纤维相结合，成功地制备了Janus膜蒸发器。由于GFs提供的优势膜能通过多次反射将光能收集，并转化为热能。最佳GF质量密度为0.66mg·cm-2的蒸发器，在1个太阳光照下，水分蒸发率最高可达1.40 kg·m-2·h-1，能量转换效率为87.9%。蒸发器采用双层Janus结构，分工明确，能有效稳定地去除实际海水中的金属离子，无明显积盐和人工废水中的金属离子。GF基Janus膜结构新颖，具有高效的太阳能蒸汽发电和良好的净水功能，为清洁水的生产提供了一种新的途径。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.02.045
往期推荐
本公众号现全面开放投稿，希望文章作者讲出自己的科研故事，分享自己论文的精华与亮点。
为了增加生物质领域科研人员的交流与合作，我们编辑部目前组建了生物质前沿微信交流群，欢迎相关领域研究人员入群讨论，共同进步。