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(xué)與化工學(xué)院 張盼盼
編輯：秦月 審核：曲良體 閱讀次數(shù)：近來(lái),，垂直排列的宏觀微觀結(jié)構(gòu)研究成為熱點(diǎn)，利用這種特殊的結(jié)構(gòu)運(yùn)用在儲(chǔ)能器件,、催化,、太陽(yáng)能水蒸發(fā)等各個(gè)領(lǐng)域也逐漸吸引人們的眼球。北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)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(guò)冷凍、干燥,、煅燒的方法,，最終形成長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)在太陽(yáng)能等光源下，水分高效快速地蒸發(fā),?；谶€原氧化石墨（rGO）一些獨(dú)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(guò)測(cè)試,，該膜分別在一個(gè)光源和四個(gè)光源的情況下，水的蒸發(fā)率能達(dá)到1.62 kg· m-2·h-1和6.25 kg·m-2·h-1,，其太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換率分別可達(dá)到86.5%和94.2%,，這比以往報(bào)道過(guò)的大多數(shù)碳材料的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率都要高,。而這種用途對(duì)于緩解水資源危機(jī)起到了很好的作用，它可以將不同來(lái)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(yáng)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(wú)塵紙等,，它們不能在有機(jī),、強(qiáng)腐蝕性酸和強(qiáng)堿等惡劣環(huán)境中使用，因此不能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；?。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(shì)十分明顯。
VA-GSM制備過(guò)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(jìn)行單軸定向冷凍，利用冰晶生長(zhǎng)形成長(zhǎng)程有序的垂直排列結(jié)構(gòu),，將該結(jié)構(gòu)進(jìn)行干燥,、煅燒，最終便得到VA-GSM,，其SEM見(jiàn)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(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,。
整個(gè)實(shí)驗(yàn)中,，有機(jī)溶劑乙醇起到了至關(guān)重要的作用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),，不加入乙醇很難形成如此規(guī)整的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu),。而加入少許乙醇后，猜測(cè)由于去離子水和乙醇的冰點(diǎn)不同,，兩者無(wú)法實(shí)現(xiàn)在同一溫度進(jìn)行冷凍，這對(duì)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(jìn)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(yàn)證了,，這對(duì)于其他幾個(gè)與水互溶的有機(jī)溶劑（甲醇,、丙酮、正丙醇）也適用,。結(jié)合石墨烯化學(xué)性質(zhì)和冰晶物理學(xué)性質(zhì),，在一定程度上，該法對(duì)于制造Vertically aligned結(jié)構(gòu)的塊材具有普適性,。
另外,，文章也驗(yàn)證了VA-GSM大片層的力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)該材料可用進(jìn)行隨意彎曲,、剪切以及在較大壓力下進(jìn)行壓縮測(cè)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(jìn)行水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)（如圖2）,。
采用在裝滿(mǎn)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(cè)頂部溫度的變化，以及檢測(cè)水蒸氣的出現(xiàn),，證明該裝置確實(shí)能對(duì)太陽(yáng)能水蒸發(fā)起到高效的作用（熱傳導(dǎo)率可達(dá)到3.8 mW·m?1·K?1）,。此外，用于海水凈化中,，吸收后對(duì)凈水離子進(jìn)行吸收檢測(cè),，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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