太陽能發(fā)電是一種可持續(xù)的水處理技術(shù)，有助于緩解全球水資源短缺問題。然而，由于水蒸發(fā)的高能耗導(dǎo)致蒸發(fā)率低，該技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在這里，通過簡便的原位生長策略開發(fā)了一種共價(jià)有機(jī)框架（COF）/石墨烯雙區(qū)域水凝膠，在一種材料中包含親水和疏水區(qū)域。親水 COF 覆蓋部分疏水石墨烯區(qū)域。通過對兩個(gè)潤濕區(qū)域的精確控制，混合水凝膠顯示出有效的光捕獲、可調(diào)節(jié)的潤濕性、優(yōu)化的水含量以及降低水汽化的能量需求。作為太陽能吸收器，雙區(qū)域水凝膠在 1 次太陽照射（1 kW m
-2）下的蒸汽產(chǎn)生率高達(dá) 3.69 kg m
-2 h
-1，與其他最先進(jìn)的材料具有很好的競爭優(yōu)勢。此外，這種水凝膠蒸發(fā)器可用于從海水和污水中生產(chǎn)飲用水，展示了水處理的潛力。
Figure 1. 用于加速太陽能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)的 COF/石墨烯雙區(qū)域水凝膠方案。 3D 多孔通道能夠快速向上輸送水。雙區(qū)域協(xié)同作用將通道尺寸從~2.3μm調(diào)節(jié)到~12.3μm，增強(qiáng)太陽能吸收并優(yōu)化水分含量，從而降低蒸發(fā)的能量需求。
Figure2. (a) COF-SO
3H 的化學(xué)結(jié)構(gòu)。 (b) 分別使用 20 mL（左）和 120 mL（右）高壓釜合成的 CGH-50 的照片。 (c, d) CGH-50 的 SEM 圖像。 (e) CGH-50 的 SEM 圖像和相應(yīng)的 EDS 映射。 (f) COF-SO
3H 和 CGH 的 FT-IR 光譜。 (g) CGH 的 XPS 測量光譜。 (h, i) CGH-50 的 AFM 圖像和相應(yīng)的高度剖面。
Figure 3. （a-e）冷凍干燥樣品的水接觸角和 CGH 中雙區(qū)域的相應(yīng)示意圖，其中藍(lán)色區(qū)域代表純 rGO，而橙色區(qū)域代表 COF@rGO。 （ f ）CGH的UV-vis-NIR吸光度。 (g) CGH 中的含水量和中間水 (IW) 與游離水 (FW) 的比例。 (h) CGH中純水和水的暗蒸發(fā)率和蒸發(fā)焓。 (g) 和 (h) 中的誤差線表示從使用不同樣品的五次測量中獲得的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
Figure 4. (a) 水蒸發(fā)測試中使用的裝置方案。 （b，c）純水和 CGH 在 1 個(gè)太陽照射（1 kW m
-2）下隨時(shí)間變化的溫度和質(zhì)量變化。 (d) 來自 CGH 的水分蒸發(fā)率和 1 個(gè)太陽下的能源效率。誤差條代表使用不同樣品的五次測量獲得的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 (e) 蒸發(fā)速率比較顯示 CGH-50 在碳基蒸發(fā)器中的高性能。 (f) 使用模擬海水和 CGH-50 進(jìn)行七個(gè)循環(huán)的穩(wěn)定性測試。
Figure 5. (a) 太陽能驅(qū)動(dòng)清水收集裝置的照片。 (b) 脫鹽前后模擬海水的離子濃度。 (c) 純化前后的重離子濃度。 (d) 染料污染水和純凈水的紫外-可見光譜和照片。
相關(guān)研究工作由德國柏林工業(yè)大學(xué)Arne Thomas課題組于2022年在線發(fā)表于《JACS》期刊上，原文：A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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