收集太陽能用于海水淡化已經(jīng)有了廣泛應用，如何提高轉(zhuǎn)化效率，降低轉(zhuǎn)化成本是當前的重要課題。近日，南開大學研究小組展示了基于石墨烯的太陽能轉(zhuǎn)換器新研究成果。那么，新研究產(chǎn)品能帶來什么樣的驚喜呢？
海水淡化研究報喜 石墨烯泡沫片直接捕獲太陽能
太陽能是地球上所有能源的真正來源和終的來源。作為可再生能源和清潔能源的豐富和可持續(xù)的來源，太陽能可用于光伏，光催化和太陽能熱轉(zhuǎn)換等多種工藝。對于太陽能熱轉(zhuǎn)換而言，收集太陽能轉(zhuǎn)化為熱能對發(fā)電，住宅供熱，海水淡化和污水處理等多種應用起到了重要作用。在這方面，雖然已經(jīng)取得了很多進展和很多方法，但是它們中的大多數(shù)仍然面臨著以更簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更高的效率，改進的可擴展性和更低的成本的挑戰(zhàn)。
近，已經(jīng)提出金屬納米顆粒如金，氧化鋁和其他納米顆粒用于在太陽輻射下產(chǎn)生蒸汽和清潔水。然而，高成本，復雜的制造工藝和潛在的安全問題已經(jīng)限制了其可能的實際應用。因此，近年來，碳材料引起了很大的興趣，部分原因在于其低成本和的寬帶吸收，這是實現(xiàn)太陽能-熱轉(zhuǎn)化和水凈化應用的重要的要求。
由石墨烯(go)大規(guī)模獲得的3d交聯(lián)聚合物石墨烯材料(3dgraphene)由于其多維/規(guī)模的納米/微米結(jié)構(gòu)已經(jīng)表現(xiàn)出許多基于石墨烯的優(yōu)異性能，例如超彈性，在環(huán)境條件下的氨合成。
近日，有學者基于石墨烯用于海水淡化和凈化的獨立太陽能轉(zhuǎn)換器進行研究。結(jié)果表明，由此制備的大塊三維交聯(lián)蜂窩狀石墨烯材料具有極高的特定水生產(chǎn)率、能源效率、黑體吸收率和對環(huán)境的熱損失極低等。展示了一種和可擴展的海水淡化(四級鹽度遞減)和污水處理裝置。
【成果簡介】
近日，南開大學的陳永勝教授(通訊作者)等在acsnano上發(fā)表了題為“graphene-based standalone solar energy converter for water desalinationand purification”的研究論文，報道了基于石墨烯的用于海水淡化和凈化的獨立太陽能轉(zhuǎn)換器的新研究進展。
研究人員向我們展示了一個極其簡單和獨立的太陽能轉(zhuǎn)換器，它僅由一個預制的3d交叉連接的蜂窩石墨泡沫材料組成，沒有任何其他的輔助組件。這種簡單的一體化材料可以作為一種理想太陽能熱轉(zhuǎn)換器，能夠捕獲太陽光并轉(zhuǎn)化為熱量，從而將來自各種水源的水分蒸發(fā)并在環(huán)境條件下產(chǎn)生純凈水，太陽能通量也非常低、率。這種可伸縮的材料被用于在環(huán)境條件下從海水和污水中獲得純凈的飲用水。研究結(jié)果表明，通過使用一個簡單的、可利用的、低成本的太陽能熱水凈化系統(tǒng)，在各種環(huán)境條件下，一個性能良好的單片材料平臺為凈化水提供了范例的改變。
【圖片導讀】
圖-1.3d石墨烯材料的太陽能熱性能
(a)3dg的吸收光譜。插圖的左側(cè)部分是顯示其多孔形態(tài)的sem圖像；插圖的右半部分是顯示它是超親水性的接觸角；
(b)左邊是在1kwm-2的太陽輻射和沒有光照的情況下有/無3dg的水的蒸發(fā)量；中間是蒸汽產(chǎn)生和溫度分布(橫截面)的3dg的示意圖；右邊部分是垂直和側(cè)視1kwm-2以下的紅外圖像；
(c)不同材料的具體水生產(chǎn)率(水產(chǎn)量/重量3dg)圖像；
(d)3dg在一定光學濃度范圍內(nèi)蒸發(fā)過程的太陽能熱效率圖像；
(e)在10kwm-2以下太陽能照射下，3dg在不同水量下的性能圖像；
(f)3dg在1kwm-2和10kwm-2太陽能照射下重復使用20次的圖像。
圖-2.3dg在不同波長范圍內(nèi)的太陽熱性能
(a)在可見光的不同波長下產(chǎn)生蒸汽的光學圖像；
(b)650nm單色光波長下不同光學濃度下的效率(左側(cè)軸)和相應的水分蒸發(fā)速率(右側(cè)軸)圖像；
(c)在可見光和紅外光的1次太陽輻射下，3dg的水蒸發(fā)質(zhì)量損失圖像；
(d)在100w微波(2450mhz)下用3dg測量水的蒸發(fā)質(zhì)量損失圖像。
圖-3.高性能機制和建模
(a)3dg結(jié)構(gòu)在蒸汽發(fā)生過程中的能量平衡和傳熱圖像；
(b)在蒸汽生成過程中放大3dg的熱環(huán)境圖像；
(c)實驗蒸汽發(fā)生效率與3dg的不同厚度(模擬石墨烯層)圖像。
圖-4.在自然陽光下清潔水源和戶外性能
a)脫鹽前后na+，k+，mg2+和ca2+的鹽度(離子重量百分比)圖像；
(b)太陽能照明下的3dg污水處理性能圖像；
(c)24小時持續(xù)測量太陽通量和清潔水的生成圖像。記錄一整天(0：00-24：00)的環(huán)境太陽通量(紅線)，使用開放設備產(chǎn)生的蒸汽量(藍線)和使用覆蓋設備的冷凝水(綠線)。
【小結(jié)】
本文通過由一種基于石墨烯的石墨烯材料(3dg)直接制備的一個獨立的太陽能熱轉(zhuǎn)換器。研究結(jié)果表明，一個簡單的獨立石墨烯泡沫片可以作為有效的太陽能熱捕獲和轉(zhuǎn)換裝置。在正常(1個太陽)甚至更弱的陽光下(低至0.25個太陽)，3dg材料可以以簡單和可擴展的方式直接用作率的清潔水發(fā)生器。此外，與其他海水淡化材料不同，輕質(zhì)彈性材料也非常便于使用，非常適合個人和工業(yè)應用。這種易于使用的碳材料可以為太陽能收集和簡化水處理的應用機會提供許多可能性。
原標題：基于石墨烯的用于海水淡化和凈化的獨立太陽能轉(zhuǎn)換器