Nano Res.│厦门大学曹阳、侯旭课题组：还原氧化石墨烯/聚吡咯气凝胶作为高效抗菌蒸发器用于太阳能海水淡化

背景介绍

　　以清洁、安全、可再生的太阳能作为能量源驱动的水蒸发是一种高效、可持续且成本低廉的海水淡化方法。为了促进光热转换海水淡化的推广与应用，我们需要改进材料的吸光性能，减少界面热耗散来提高蒸发器的转换效率和蒸发速率。在众多备选的蒸发器材料中，以还原氧化石墨烯（RGO）为代表的气凝胶作为界面蒸发材料，具有宽带吸光能力、高化学稳定性和多孔结构等特性，使得其在海水淡化中可以起到良好的效果，但仍存在挑战，比如：1、太阳光吸收能力仍需加强，并减小界面热量损耗高。2、抗菌性能低，容易被微生物黏附，影响器件性能。3、防污能力差。因此，制备一种具有宽吸收光谱，高蒸发速率和热转换效率，同时具备抗菌性能和在不同环境中稳定性的蒸发器，在太阳光驱动的海水淡化应用中具有重要意义。

成果简介

　　厦门大学化学化工学院曹阳、侯旭及王苗等团队共同设计开发了一种基于RGO复合聚吡咯（PPy）的气凝胶作为太阳能海水淡化蒸发器。通过结合RGO和PPy的全波段太阳光谱(200-2500 nm)的宽带吸光能力，以及PPy的抗菌能力，使得RGO/PPy气凝胶表现出优异的海水淡化和抗菌性能：海水蒸发速率为1.44 kg·m⁻²·h⁻¹，其热转换效率高于90%。这得益于RGO/PPy气凝胶漂浮在液体表面，可以将吸收的热量限制在空气-水的界面处，仅加热界面的水完成蒸发，减少了向水体中的热量传输，从而降低了热量损耗，提高了材料的蒸发速率和热转换效率。通过材料蒸发并收集的冷凝水中的离子浓度比世界卫生组织WHO的饮用水标准低3个数量级。除此之外，蒸发器还具有备优异的抗菌性能和迅速的抗菌响应时间（＜0.5h）以及在强酸强碱环境下长时间蒸发的稳定性。本工作为开发低成本、高效率的自悬浮碳基纳米材料海水淡化蒸发器提供了一种新策略。

图文导读

图1 （a）RGO/PPy的蒸发机理。（b）RGO/PPy的红外表征。（c）和（d）为RGO/PPy的多孔结构。（e）超低的RGO/PPy密度。

图2 （a）RGO/PPy的吸光度测试。（b）RGO/PPy蒸发体系随反应时间的温度变化。（c）不同测试条件下水体的质量变化。（d）不同蒸发器的蒸发速率和蒸发效率对比图。

图3 （a）海水淡化前后水中离子浓度。（b）不同离子和海水的去除效果。（c）RGO/PPy的抗盐稳定性测试和蒸发稳定性测试。

图4 RGO/PPy的抗菌性能测试结果。

文章信息

Mengru Zhang, Fan Xu, Wenjie Liu, Yaqi Hou, Liyun Su, Xin Zhang, Ruihua Zhang, Lijun Zhou, Xiaomei Yan, Miao Wang*, Xu Hou* & Yang Cao*. Antibacterial evaporator based on reduced graphene oxide/polypyrrole aerogel for solar-driven desalination. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-4041-4.

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信息来源：公众号【NanoResearch】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。