北理工曲良體教授課題組在ACS Nano發表文章
發布日期：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：近來，垂直排列的宏觀微觀結構研究成為熱點，利用這種特殊的結構運用在儲能器件、催化、太陽能水蒸發等各個領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上發表了相關文章。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構。利用該種特殊管狀結構，作為水蒸發的傳送通道，實現在太陽能等光源下，水分高效快速地蒸發。基于還原氧化石墨（rGO）一些獨特的性質，得到的VA-GSM（Vertically aligned graphene sheets membrane）膜具有很高的吸光率和超高穩定性。
經過測試，該膜分別在一個光源和四個光源的情況下，水的蒸發率能達到1.62 kg· m-2·h-1和6.25 kg·m-2·h-1，其太陽能轉換率分別可達到86.5%和94.2%，這比以往報道過的大多數碳材料的太陽能轉化率都要高。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）高效快速地轉化為凈水。在之前相關方面的研究中，采用的材料為3D陽極氧化鋁膜、聚吡咯沉積不銹鋼網、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境中使用，因此不能實現產業的規模化。而文中得到的VA-GSM材料具有高孔隙率、高吸光率，而且在惡劣環境中也能夠穩定存在（能承受3000 oC的高溫以及-196 oC的低溫），優勢十分明顯。
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構，將該結構進行干燥、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模具的尺寸進行相應的調整。
整個實驗中，有機溶劑乙醇起到了至關重要的作用。根據經驗，不加入乙醇很難形成如此規整的長程有序結構。而加入少許乙醇后，猜測由于去離子水和乙醇的冰點不同，兩者無法實現在同一溫度進行冷凍，這對冰晶形成的結晶造成影響，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、具有高度取向的結構。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。結合石墨烯化學性質和冰晶物理學性質，在一定程度上，該法對于制造Vertically aligned結構的塊材具有普適性。
另外，文章也驗證了VA-GSM大片層的力學性質，發現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構中，夾雜著rGO的片層結構起到一定的支撐作用有關。在應用方面，文中組裝成了如下裝置進行水蒸發實驗（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，證明該裝置確實能對太陽能水蒸發起到高效的作用（熱傳導率可達到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，其含量低于世界衛生組織WHO規定值，而且比傳統的一些凈水裝置凈水效果高出很多（如圖3）。
相關論文發表在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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