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  優(yōu)化太陽(yáng)能蒸發(fā)器的表面形貌對(duì)促進(jìn)光吸收，提高太陽(yáng)能蒸汽轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。因此，此工作通過(guò)靜電自組裝偶聯(lián)苯胺（AN）原位聚合，報(bào)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(qiáng)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(qiáng)蒸發(fā)性能，在1個(gè)太陽(yáng)光照下速率可達(dá)1.42 kg m^?2 h^?1。進(jìn)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(guò)多次反射增強(qiáng)了太陽(yáng)光吸收，有利于熱定位和熱局域化。海水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種具有表面周期結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器用于實(shí)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(qiáng)化蒸汽生成效應(yīng)。此項(xiàng)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(huì)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(yán)峻挑戰(zhàn)之一。由于地球上太陽(yáng)能資源豐富并且綠色環(huán)保，最近人們發(fā)現(xiàn)，先進(jìn)的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)（SDIE）技術(shù)可用于解決水資源短缺問(wèn)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(yáng)能蒸發(fā)器由太陽(yáng)能吸收層、水分傳輸層和隔熱層三部分組成。其中太陽(yáng)能吸收層可以吸收太陽(yáng)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(jìng)爭(zhēng)力的太陽(yáng)能吸收材料。水分傳輸層能夠?qū)⑺旨皶r(shí)傳輸?shù)教?yáng)能吸收層以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的水分蒸發(fā)。通常，具有獨(dú)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(gè)蒸發(fā)過(guò)程中的熱量損失。二維太陽(yáng)能蒸發(fā)器因其具有強(qiáng)的熱局域化和低熱損失特點(diǎn)，迄今在SDIE中已獲得廣泛的關(guān)注。然而，由于其相對(duì)平坦的蒸發(fā)表面，二維太陽(yáng)蒸發(fā)器表現(xiàn)出較低的表面粗糙度和蒸發(fā)性能。考慮到可以在蒸發(fā)器的表面設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)光的內(nèi)部多重反射和散射促進(jìn)光的吸收和熱管理，以及降低蒸發(fā)表面的水分含量來(lái)促進(jìn)表界面水蒸發(fā)，合理設(shè)計(jì)具有高表面粗糙度的蒸發(fā)器對(duì)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(yáng)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(jī)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(yáng)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(bào)道了一種由氧化石墨烯和聚苯胺陣列組成的高效率太陽(yáng)能蒸發(fā)器。通過(guò)表面工程，在氧化石墨烯表面原位生長(zhǎng)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(gè)作用:（1）通過(guò)靜電相互作用鈍化氧化石墨烯的親水性基團(tuán)，從而防止氧化石墨烯重新堆積和溶解于水中；（2）通過(guò)增強(qiáng)光內(nèi)部多重反射和漫反射提高了光的吸收，增強(qiáng)了熱局域化能力；（3）陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于擴(kuò)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(gè)太陽(yáng)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(xiàng)工作集中于蒸發(fā)器的表面調(diào)控，為高效的太陽(yáng)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?yàn)楣鉄徂D(zhuǎn)換用碳功能材料的設(shè)計(jì)、構(gòu)筑以及在太陽(yáng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(jiǎng)銅獎(jiǎng)；2021年獲得中國(guó)石化聯(lián)合會(huì)-Clariant可持續(xù)發(fā)展青年獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)；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(xiàng)目負(fù)責(zé)人，目前主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)基金、廣西省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育項(xiàng)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(zhǎng)、校學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任，國(guó)家杰出青年基金獲得者，教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，國(guó)務(wù)院政府津貼專家，國(guó)家“有突出貢獻(xiàn)中青年專家”及國(guó)家“百千萬(wàn)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(xì)化利用、能源化工等領(lǐng)域研究。多項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化/規(guī)模化應(yīng)用，提升了相關(guān)地區(qū)和行業(yè)的科技水平和實(shí)力，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)”等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定。在國(guó)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(guó)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(guó)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(jì)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(qǐng)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(jiǎng)、遼寧省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、中國(guó)化工學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)創(chuàng)新獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、全國(guó)百篇優(yōu)秀博士論文導(dǎo)師獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)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(guó)高被引學(xué)者榜單(化學(xué)工程)。入選全球頂尖前10萬(wàn)科學(xué)家榜單(全球排名1596位，2022年4月)。長(zhǎng)期從事功能碳材料的合成及應(yīng)用、煤炭的高效高值精細(xì)化利用、能源化工等領(lǐng)域研究。

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