开孔/闭孔结构石墨烯复合气凝胶及其在太阳能蒸发海水中的应用

Humanity is facing an increasingly serious problem of water scarcity. Solar-driven vaporization is one of the most promising techniques for seawater desalination to obtain fresh water. However, several practical problems derived from solar vaporization devices. Firstly, the solar vaporization efficiency is low; Secondly, the fabrication process is complex; Thirdly, the solar vaporization device cannot be reused. This project intends to introduce graphene with excellent photothermal conversion performance into the porous network of polymer sponge to construct the elastic graphene hybrid aerogel with open/closed cell structure. Then, the photothermal polymer will be introduced to the above elastic graphene hybrid aerogel to construct elastic polymer/graphene hybrid aerogel. Finally, a layer of polymer sponge for water transportation and heat insulation will be introduced under the photothermal polymer/graphene hybrid aerogel to achieve a highly efficient and reusable bilayered solar evaporation device. The effect of bilayered structure on enhancement of solar steam generation will be systematically investigated, and the influence mechanism of open/closed cell structure on cyclic evaporation performance will be also explored. It is expected to prepare new solar steam generation devices, which can meet the practical applications. This project also will provide important experimental support and theoretical basis for the design, exploration and fabrication of highly effective and reusable solar steam generation devices.

人类正面临着日益严重的水资源匮乏问题，而通过太阳能蒸发获得淡水是最有前景的海水淡化技术之一。针对目前太阳能蒸发器件存在的问题：一是蒸发效率偏低；二是制备方法复杂；三是不可重复使用。本项目拟在聚合物泡沫多孔网络中，引入具有宽光谱吸收和优异光热转换性能的石墨烯，构建开孔/闭孔石墨烯弹性网络结构。然后再将光热高分子引入石墨烯开孔/闭孔结构中，制备弹性光热高分子/石墨烯复合气凝胶。最后，在光热高分子/石墨烯复合气凝胶下方引入一层输水/隔热聚合物泡沫层，最终实现高效率、可重复使用的双层太阳能蒸发器件的简易制备。揭示双层结构对太阳能蒸发水性能的增强机理，阐明开孔/闭孔石墨烯复合结构对循环蒸发性能的影响机制，以期制备满足实际应用的新型太阳能蒸发材料，为高效率、可重复使用的太阳能蒸发器件的设计、开发和制备提供了理论依据和实验支持。

人类正面临着日益严重的水资源匮乏问题。近年来人们开发出界面光-热转换技术，得到了广泛的研究。但界面太阳能蒸发器仍存在缺点：蒸发效率偏低；制备方法复杂；不可重复使用。因此，如何简易制备结实耐用、高效率的蒸发器是一件极具挑战的工作。. 石墨烯气凝胶是二维片层石墨烯构建的三维多孔网络，具有低密度、高孔隙率、优异的光-热转换性能和宽光谱吸收性质，是极具潜力的光-热转换材料。针对石墨烯气凝胶的疏水性较强，蒸发效率偏低，结构易碎和制备方法复杂等缺点，本项目从构建石墨烯多孔骨架设计角度出发，思考如何简易制备具有低成本、高效率的石墨烯气凝胶基太阳能蒸发器。我们利用三聚氰胺泡沫为三维牺牲骨架，通过吸附-碳化制备氮掺杂石墨烯复合气凝胶，增加了复合气凝胶的吸水性能和蒸发性能（Carbon，高被引论文）；基于三聚氰胺泡沫，构建吸水性能和力学性能更优异的预压缩泡沫，然后将不同的功能引入到不同的层中，制备双层复合泡沫用于高效海水淡化（Nano Energy，高被引论文）；基于三聚氰胺泡沫，构建开孔/闭孔复合结构，并且利用三聚氰胺泡沫的可加工性，制备了优异蒸发性能的3D外形的复合气凝胶（Solar RRL）；我们还通过高温热处理制备了可以承受极限压缩的超回弹石墨烯气凝胶（Nanoscale）；我们总结了网络结构对石墨烯气凝胶简单制备的影响，系统地讨论了结实石墨烯网络结构的设计和合成策略（Frontiers in Chemistry）。.我们还探索了石墨烯复合材料在储能材料中的应用。通过模板方法制备的聚吡咯/石墨烯/三聚氰胺复合气凝胶，在反复压缩仍保持稳定的电化学性能（Electrochi. Acta）；制备了石墨烯/CoS2/Ni3S4的可丝网印刷柔性全固态混合超级电容器装置（Carbon）；通过微波辅助溶剂热策略合成了锚定在石墨烯片上的VO2·0.2H2O纳米长方体组成的复合材料，用作水系ZIBs正极材料（Nano Research）。. 本项目研发了一系列低密度、优异力学的石墨烯气凝胶用于高效率海水淡化和储能材料。巧妙地使用商用泡沫作为牺牲骨架或者骨架，不仅简化了干燥过程，辅助石墨烯网络的构建，提高了样品的力学性能和吸水性能，并且解决了不能制备大尺寸样品的难题。这些理念对未来如何设计和制备多功能石墨烯气凝胶具有重要意义。