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碳材料在能源捕獲、存儲和利用等方面具有非常廣闊的應用前景。近年來，采用太陽光實現高效率界面蒸發成為新的研究熱點，在眾多新型材料中碳材料表現尤為優異。利用界面蒸發的方式可為清潔能源的高效利用，海水淡化，污水處理等提供新的解決方案。受制于太陽光較低的能量密度(1kWm²)，目前大多數新型材料可實現太陽能光熱界面蒸發速率依然處于較低的水平，僅為自然蒸發速率(0.5kg/m²h¹)的3倍左右。

而且，利用太陽能光熱實現界面蒸發的速率不夠穩定，受天氣、太陽光輻照晝夜變化等因素的影響，在陰天、夜晚、室內等環境下使用效果較差。采用物理裝置匯聚太陽光增強能量的措施，成本較高，這也是目前很多太陽能設備難以大面積推廣應用的主要原因之一。基于清潔能源（如太陽能、風等）的電力供給已經大規模應用，尤其離線電力成本逐年降低，為采用新能源供電的界面蒸發提供了新機遇。

最近，上(shang)海交通大(da)學趙斌元副教(jiao)授(Associate Professor Binyuan Zhao)課題組與倫敦城市(shi)大(da)學(City,University of London)喬治(zhi)丹尼斯助理教(jiao)授、國(guo)際化學工業協會(Society of Chemical Industry,SCI)中英分會主席吳(wu)衛平博士(Dr Weiping Wu)課題組、牛津大(da)學材(cai)料系Robert Bradley教(jiao)授合作，在介(jie)孔碳(tan)-地(di)聚(ju)物(wu)復合結構(gou)實現風能、太陽能光熱界面(mian)蒸發(fa)，環境友好多(duo)級孔和大(da)孔碳(tan)材(cai)料光熱蒸發(fa)等前期工作的基礎上(shang)，在持續(xu)、穩(wen)定、高速率的界面(mian)蒸發(fa)方面(mian)取得了(le)重要進展(zhan)。

他們基于(yu)納米光學超(chao)材(cai)料(liao)和(he)超(chao)表面原理，結合(he)一(yi)維(wei)+二(er)維(wei)(1D+2D)材(cai)料(liao)設計的新(xin)(xin)思(si)路，發明(ming)了一(yi)種新(xin)(xin)型的柔性石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯/碳(tan)纖(xian)維(wei)布全碳(tan)基復(fu)合(he)材(cai)料(liao)rGO-CC，并設計了復(fu)合(he)材(cai)料(liao)-親水纖(xian)維(wei)布-隔(ge)熱泡沫(mo)三層結構用于(yu)光熱和(he)電熱蒸發。其中，巧妙地采用電化(hua)學沉(chen)積在碳(tan)纖(xian)維(wei)布表面沉(chen)積氧化(hua)石(shi)墨(mo)(mo)(mo)，并通過電加熱對氧化(hua)石(shi)墨(mo)(mo)(mo)進行原位(wei)焦耳熱還原，制備了石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯/碳(tan)纖(xian)維(wei)布復(fu)合(he)材(cai)料(liao)。

該工作作為正(zheng)封(feng)面(mian)發(fa)表在Wiley旗下期刊Advanced Sustainable Systems上(Graphene-Carbon Composites for Solarand Low-Voltage Powered Efficient Interfacial Evaporation.Advanced Sustainable Systems,4,1900122,2020)，博士生劉豐華（Fenghua Liu）為論文第一作者，趙斌元副(fu)教授和吳衛平博士為通(tong)訊作者。

圖1：封面

該(gai)結構基于(yu)全碳材料，成本低，可(ke)柔性(xing)折疊彎曲(qu)，環(huan)(huan)境友好，可(ke)同(tong)時(shi)采(cai)用(yong)太陽能光熱能及低驅動壓(ya)電(僅需1伏到(dao)3伏供電)產生(sheng)的(de)焦耳熱，實現(xian)高速率(lv)、高效率(lv)、穩定、綠色環(huan)(huan)保的(de)界面蒸(zheng)發(圖2)。該(gai)方案不僅適用(yong)于(yu)采(cai)用(yong)清潔能源的(de)海水淡(dan)化，還可(ke)廣泛適用(yong)于(yu)各類蒸(zheng)發、蒸(zheng)餾、污水處理、消毒殺菌(jun)等領(ling)域。

圖2：石墨烯-碳纖維布復(fu)合材料(liao)的電化學-焦耳(er)熱制(zhi)備及界(jie)面蒸發裝置(zhi)示意圖

碳纖維布柔性優異，電導率高，且紫外、熱穩定性好，在可見光及近紅外區域的光學吸收較高，與石墨烯復合后其光學吸收能力得到進一步提高，達到97%左右。在一個標準太陽的輻照強度(AM1.5G，1kWm²)，rGO-CC復合裝置的光熱蒸發速率達到2.54kg/m²h¹，高達(da)水自然蒸(zheng)發速(su)率的(de)(de)5倍，顯著優于(yu)其它(ta)新型(xing)材(cai)料。這(zhe)主(zhu)要是(shi)由于(yu)整個復合結(jie)構較薄，熱量局域化控制(zhi)效果優異，且該全碳(tan)復合材(cai)料具有相對較大(da)的(de)(de)孔隙結(jie)構和(he)適宜的(de)(de)表面(mian)性質，利(li)于(yu)蒸(zheng)汽(qi)的(de)(de)傳質和(he)快(kuai)速(su)逸(yi)出(圖3所示)。

圖3：石墨烯-碳(tan)纖維布全碳(tan)復(fu)合(he)材料掃描(miao)電子顯微鏡(SEM)照(zhao)片(pian)、紅(hong)外熱成(cheng)像照(zhao)片(pian)、光吸收性能(neng)及光熱界面蒸(zheng)發(fa)曲線

此外，他們進(jin)一步采用低(di)電(dian)壓驅動的(de)(de)焦耳(er)熱(re)效應(ying)，有(you)效的(de)(de)解決了光熱(re)蒸發的(de)(de)不(bu)穩(wen)定和速率(lv)低(di)等問題(ti)。碳纖維布及其與(yu)石(shi)墨烯(xi)的(de)(de)全碳復合材料(liao)(liao)，具有(you)高度(du)(du)石(shi)墨化(hua)的(de)(de)結構(gou)，電(dian)導性能優良(liang)，采用該材料(liao)(liao)在較低(di)的(de)(de)電(dian)壓下即可實(shi)現顯著(zhu)的(de)(de)焦耳(er)熱(re)效應(ying)。實(shi)驗(yan)表明，當施加低(di)電(dian)壓時，表面(mian)焦耳(er)加熱(re)溫度(du)(du)極為容易突破水的(de)(de)沸(fei)點(100攝氏度(du)(du))，最高加熱(re)溫度(du)(du)可達到385攝氏度(du)(du)，而且啟(qi)動時間(jian)短，加熱(re)溫度(du)(du)可調（圖4）。

隨著電壓即輸入功率的增加，界面蒸發可實現大幅度提升。疏水性碳布在3伏特低電壓下，蒸發速率高達45.87kg/m²h¹（圖5）。

圖4：石墨烯(xi)-碳纖(xian)維(wei)布復合(he)結構的焦耳熱性能

圖5：石墨(mo)烯-碳纖維(wei)布復合(he)結構的焦(jiao)耳熱界面蒸發

這項研究工作取得了太(tai)陽(yang)光(guang)熱(re)海(hai)水(shui)淡化、界面(mian)蒸(zheng)發(fa)領域的(de)(de)(de)突(tu)破性進展(zhan)。利(li)用電場焦耳熱(re)和太(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)熱(re)相結合的(de)(de)(de)策略，有(you)望成為穩定持(chi)續(xu)(xu)、高速率界面(mian)蒸(zheng)發(fa)的(de)(de)(de)最有(you)效(xiao)的(de)(de)(de)解(jie)(jie)決(jue)(jue)方(fang)案，在海(hai)水(shui)淡化、污水(shui)處(chu)理(li)、飲(yin)用水(shui)凈(jing)化和新能(neng)源(yuan)利(li)用等(deng)方(fang)面(mian)具(ju)有(you)廣闊的(de)(de)(de)前景，為可持(chi)續(xu)(xu)發(fa)展(zhan)、環境保護、氣候變化和緩解(jie)(jie)淡水(shui)資源(yuan)短缺等(deng)問題提(ti)供了一種極具(ju)潛力(li)的(de)(de)(de)解(jie)(jie)決(jue)(jue)方(fang)案。

論文獲得了審(shen)稿人高度評價，“Authors of this manuscript mainly report the synthesis of graphene-carbon composites and also their applications in the field of the water evaporation . This work would potentially contribute to the development of the water evaporation , especially , the utilization of low voltagesto increase the evaporationrate”，并被(bei)Advanced Sustainable Systems選為(wei)該刊2020年(nian)第4卷第3期正封(feng)面(mian)。

該項(xiang)目獲(huo)得了英國(guo)創新署(shu)(Innovate UK,Grant104013)、英國(guo)研究(jiu)與(yu)創新署(shu)(UK Research and Innovation,UKRI)，全球研究(jiu)挑(tiao)戰基(ji)金(Global Challenges Research Fund，簡稱GCRF)和(he)上海市科委(STCSM,Grant17230732700)的資助。