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  優(yōu)化太陽能蒸發(fā)器的表面形貌對促進光吸收，提高太陽能蒸汽轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。因此，此工作通過靜電自組裝偶聯(lián)苯胺（AN）原位聚合，報道了一種控制氧化石墨烯（GO）表面形貌的新策略。GO表面與聚苯胺（PANI）納米錐陣列完全雜化混合，表現(xiàn)出具有高度可折疊構(gòu)型的周期性結(jié)構(gòu)。此外，PANI陣列還能調(diào)節(jié)GO的表面化學(xué)性質(zhì)以防止氧化石墨烯重新分散在水中，從而使相應(yīng)的復(fù)合材料具有強大的結(jié)構(gòu)耐久性。得益于這些優(yōu)異的性質(zhì)，所制備的二維蒸發(fā)器具有增強蒸發(fā)性能，在1個太陽光照下速率可達1.42 kg m^?2 h^?1。進一步的研究表明，PANI陣列在GO表面所形成的周期性錐形結(jié)構(gòu)通過多次反射增強了太陽光吸收，有利于熱定位和熱局域化。海水蒸發(fā)實驗驗證了這種具有表面周期結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器用于實際淡水生產(chǎn)的可靠性。數(shù)學(xué)模擬和光學(xué)顯微鏡觀察顯示材料表現(xiàn)出表面形貌強化蒸汽生成效應(yīng)。此項研究為合理調(diào)控光熱材料表面形貌提供了新曙光。

  淡水資源與生態(tài)圈和社會發(fā)展關(guān)系密切。然而，淡水供應(yīng)不足已成為全球面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)之一。由于地球上太陽能資源豐富并且綠色環(huán)保，最近人們發(fā)現(xiàn)，先進的太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)（SDIE）技術(shù)可用于解決水資源短缺問題。這種最具前景的生態(tài)友好型且可持續(xù)的技術(shù)引發(fā)了許多工業(yè)應(yīng)用，包括海水淡化、污水處理和蒸汽滅菌。通常，太陽能蒸發(fā)器由太陽能吸收層、水分傳輸層和隔熱層三部分組成。其中太陽能吸收層可以吸收太陽輻射，并將所吸收的輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，一般可分為三大類：等離子體金屬、半導(dǎo)體、和碳材料。碳材料，例如石墨烯及其衍生物、聚合物等，因其成本效益高和高度可調(diào)諧結(jié)構(gòu)從而成為最有競爭力的太陽能吸收材料。水分傳輸層能夠?qū)⑺旨皶r傳輸?shù)教柲芪諏右詫崿F(xiàn)持續(xù)的水分蒸發(fā)。通常，具有獨特孔隙率、微通道和一定親水性的物質(zhì)被用作水傳輸基質(zhì)。而隔熱層有助于抑制整個蒸發(fā)過程中的熱量損失。二維太陽能蒸發(fā)器因其具有強的熱局域化和低熱損失特點，迄今在SDIE中已獲得廣泛的關(guān)注。然而，由于其相對平坦的蒸發(fā)表面，二維太陽蒸發(fā)器表現(xiàn)出較低的表面粗糙度和蒸發(fā)性能�？紤]到可以在蒸發(fā)器的表面設(shè)計拓撲結(jié)構(gòu)，通過光的內(nèi)部多重反射和散射促進光的吸收和熱管理，以及降低蒸發(fā)表面的水分含量來促進表界面水蒸發(fā)，合理設(shè)計具有高表面粗糙度的蒸發(fā)器對于高性能光熱水蒸發(fā)系統(tǒng)是必不可少的。

圖1用于太陽蒸發(fā)GO/PANI復(fù)合材料的表面改性示意圖。

圖2 GO表面PANI陣列結(jié)構(gòu)的形成機制。

圖3不同GO：PANI質(zhì)量比樣品的SEM形貌圖：(a) GO, (b) PANI, (c) PG-1, (d)和(e) PG-10, (f) PG-50。（嵌入圖:不同樣品的光吸收示意圖）。

圖5太陽能蒸發(fā)性能圖

圖6具有平坦表面的GO （左）和周期性錐形陣列結(jié)構(gòu)表面的PG-10 （右）蒸發(fā)器的熱量、水速和壓力的數(shù)值模擬圖。(a, b) 溫度分布 (℃)。(c, d) 流速 (mol m^?2)分布。(e, f) 蒸氣分壓(Pa)分布。

  綜上所述，本工作報道了一種由氧化石墨烯和聚苯胺陣列組成的高效率太陽能蒸發(fā)器。通過表面工程，在氧化石墨烯表面原位生長了高度分散的聚苯胺納米陣列。PG復(fù)合材料中的雙面聚苯胺陣列具有三個作用:（1）通過靜電相互作用鈍化氧化石墨烯的親水性基團，從而防止氧化石墨烯重新堆積和溶解于水中；（2）通過增強光內(nèi)部多重反射和漫反射提高了光的吸收，增強了熱局域化能力；（3）陣列拓撲結(jié)構(gòu)有利于擴大蒸發(fā)面，加速蒸汽生成。得益于PG復(fù)合材料的這些特性，在一個太陽光照下，得到了了1.42 kg m^-2 h ^-1水分蒸發(fā)速率。數(shù)值模擬表明，PG蒸發(fā)器蒸發(fā)性能的提高源于氧化石墨烯表面周期性錐形聚苯胺陣列。這項工作集中于蒸發(fā)器的表面調(diào)控，為高效的太陽能蒸發(fā)應(yīng)用提供一種可借鑒的新思路。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202209207

作者介紹：

  趙鑫，北京化工大學(xué)博士研究生，研究方向為光熱轉(zhuǎn)換用碳功能材料的設(shè)計、構(gòu)筑以及在太陽能界面蒸發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用。

  孟祥桐，北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院副教授、碩導(dǎo)；北京化工大學(xué)優(yōu)秀青年教師。石油和化工行業(yè)新型碳基功能材料重點實驗室核心骨干（主任為邱介山教授）。以第一或通訊作者身份在Angew. Chem.、Adv. mater.、Adv. Energy Mater.等國際刊物上發(fā)表論文20余篇，授權(quán)發(fā)明專利3件。2019年獲得首屆“化工與材料”京博博士論文獎銅獎；2021年獲得中國石化聯(lián)合會-Clariant可持續(xù)發(fā)展青年獎優(yōu)秀獎；Journal of Materials Chemistry A杰出審稿人。目前擔(dān)任《Catalysts》、《潔凈煤技術(shù)》學(xué)術(shù)刊物的青年編委。作為項目負責(zé)人，目前主持國家自然科學(xué)基金青年基金、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費基金、廣西省自然科學(xué)基金面上項目、國家重點實驗室培育項目等課題。

  邱介山，北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院教授、院長、校學(xué)術(shù)委員會副主任，國家杰出青年基金獲得者，教育部長江學(xué)者特聘教授，國務(wù)院政府津貼專家，國家“有突出貢獻中青年專家”及國家“百千萬人才工程”人選。主要從事功能碳材料的合成及應(yīng)用、煤炭的高效高值精細化利用、能源化工等領(lǐng)域研究。多項技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化/規(guī)�；瘧�(yīng)用，提升了相關(guān)地區(qū)和行業(yè)的科技水平和實力，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。作為主要起草人之一，完成“煤焦化焦油加工工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”等國家標(biāo)準(zhǔn)的制定。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文800余篇，其中700余篇論文發(fā)表在《Nature Mater.》《Adv. Mater.》《Adv. Funct. Mater.》《Adv. Energy Mater.》《Energy Environ. Sci.》《Nature Commun.》《Angew. Chem. Int. Ed.》《J. Am. Chem. Soc.》《Joule》等國際學(xué)術(shù)刊物上(其中，IF >10刊物論文370余篇，67篇論文被選為國際學(xué)術(shù)刊物封面)，論文被SCI總引43000余次(單篇被SCI引用100次以上論文102篇)，h指數(shù)101 (Web of Sci.)，ESI高被引論文累計80余篇；煤基功能碳材料的研究論文數(shù)量(web of sci.)，世界第一，引領(lǐng)了煤化學(xué)化工學(xué)科的前沿發(fā)展方向；申請及授權(quán)發(fā)明專利140余件。榮獲教育部自然科學(xué)一等獎、遼寧省自然科學(xué)一等獎、中國顆粒學(xué)會自然科學(xué)一等獎、中國化工學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎、中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎創(chuàng)新獎一等獎、全國百篇優(yōu)秀博士論文導(dǎo)師獎等獎勵和表彰20余次。自2018年始，連續(xù)入選“科睿唯安”全球高被引科學(xué)家榜單；2019-2021年連續(xù)入選Elsevier中國高被引學(xué)者榜單(化學(xué)工程)。入選全球頂尖前10萬科學(xué)家榜單(全球排名1596位，2022年4月)。長期從事功能碳材料的合成及應(yīng)用、煤炭的高效高值精細化利用、能源化工等領(lǐng)域研究。

  課題組主頁：https://carbon.buct.edu.cn/main.htm