北理工曲良體教授課題組在ACS Nano發(fā)表文章
發(fā)布日期：2017-05-05 供稿：化學與化工學院 張盼盼
編輯：秦月 審核：曲良體 閱讀次數(shù)：近來，垂直排列的宏觀微觀結(jié)構(gòu)研究成為熱點，利用這種特殊的結(jié)構(gòu)運用在儲能器件,、催化、太陽能水蒸發(fā)等各個領(lǐng)域也逐漸吸引人們的眼球。北京理工大學化學與化工學院曲良體課題組近日在ACS Nano上發(fā)表了相關(guān)文章。文中利用單軸定向冷凍的思路,，將GO混合溶液通過冷凍,、干燥,、煅燒的方法，最終形成長程有序的垂直排列管狀結(jié)構(gòu),。利用該種特殊管狀結(jié)構(gòu),，作為水蒸發(fā)的傳送通道，實現(xiàn)在太陽能等光源下,，水分高效快速地蒸發(fā),。基于還原氧化石墨（rGO）一些獨特的性質(zhì),，得到的VA-GSM（Vertically aligned graphene sheets membrane）膜具有很高的吸光率和超高穩(wěn)定性,。
經(jīng)過測試，該膜分別在一個光源和四個光源的情況下,，水的蒸發(fā)率能達到1.62 kg· m-2·h-1和6.25 kg·m-2·h-1,，其太陽能轉(zhuǎn)換率分別可達到86.5%和94.2%，這比以往報道過的大多數(shù)碳材料的太陽能轉(zhuǎn)化率都要高,。而這種用途對于緩解水資源危機起到了很好的作用,，它可以將不同來源的水（海水、廢水以及濃酸,、濃堿溶液）高效快速地轉(zhuǎn)化為凈水,。在之前相關(guān)方面的研究中，采用的材料為3D陽極氧化鋁膜,、聚吡咯沉積不銹鋼網(wǎng),、基于金納米顆粒薄膜的無塵紙等，它們不能在有機,、強腐蝕性酸和強堿等惡劣環(huán)境中使用,，因此不能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化。而文中得到的VA-GSM材料具有高孔隙率,、高吸光率,，而且在惡劣環(huán)境中也能夠穩(wěn)定存在（能承受3000 oC的高溫以及-196 oC的低溫），優(yōu)勢十分明顯,。
VA-GSM制備過程大致如圖1a-c：在7 mg·mL-1的GO溶液中混入少量乙醇（GO：ethanol = 30:1）形成混合溶液,，再將溶液倒入一定尺寸的PTFE模具中，將該模具放入液氮中進行單軸定向冷凍,，利用冰晶生長形成長程有序的垂直排列結(jié)構(gòu),，將該結(jié)構(gòu)進行干燥、煅燒,，最終便得到VA-GSM,，其SEM見圖1d-i。另外,，該種方法得到的樣品宏觀尺寸大小可以根據(jù)模具的尺寸進行相應(yīng)的調(diào)整,。
整個實驗中，有機溶劑乙醇起到了至關(guān)重要的作用,。根據(jù)經(jīng)驗,，不加入乙醇很難形成如此規(guī)整的長程有序結(jié)構(gòu)。而加入少許乙醇后,，猜測由于去離子水和乙醇的冰點不同,，兩者無法實現(xiàn)在同一溫度進行冷凍，這對冰晶形成的結(jié)晶造成影響,，最終使得石墨烯隨著冰晶的軸進行定向排列,，形成了垂直排列、具有高度取向的結(jié)構(gòu),。文中也驗證了,，這對于其他幾個與水互溶的有機溶劑（甲醇、丙酮,、正丙醇）也適用,。結(jié)合石墨烯化學性質(zhì)和冰晶物理學性質(zhì)，在一定程度上,，該法對于制造Vertically aligned結(jié)構(gòu)的塊材具有普適性,。
另外，文章也驗證了VA-GSM大片層的力學性質(zhì),，發(fā)現(xiàn)該材料可用進行隨意彎曲,、剪切以及在較大壓力下進行壓縮測試。文章解釋道,，這可能與垂直排列的結(jié)構(gòu)中,，夾雜著rGO的片層結(jié)構(gòu)起到一定的支撐作用有關(guān),。在應(yīng)用方面，文中組裝成了如下裝置進行水蒸發(fā)實驗（如圖2）,。
采用在裝滿水的玻璃容器上放置聚苯乙烯泡沫,，上面鋪上一層玻璃纖維，然后最頂部放上VA-GSM,，在光照的情況下,，檢測頂部溫度的變化，以及檢測水蒸氣的出現(xiàn),，證明該裝置確實能對太陽能水蒸發(fā)起到高效的作用（熱傳導(dǎo)率可達到3.8 mW·m?1·K?1）,。此外，用于海水凈化中,，吸收后對凈水離子進行吸收檢測,，其含量低于世界衛(wèi)生組織WHO規(guī)定值，而且比傳統(tǒng)的一些凈水裝置凈水效果高出很多（如圖3）,。
相關(guān)論文發(fā)表在ACS Nano（DOI: 10.1021/acsnano.7b01965）Vertically Aligned Graphene Sheets Membrane for Highly Efficient SolarThermal Generation of Clean Water上,。
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