华中科技大学赵强/龚江GEE：聚离子液体复合膜用于太阳能海水淡化

导读

界面太阳能海水淡化是一种有效缓解世界淡水资源短缺的方式。氧化石墨烯-碳纳米管（CNT）复合膜材料同时具有优良的光热转换性能和大量亲水基团，有望应用于太阳能海水淡化。但是，氧化石墨烯在水溶液中稳定性较差，制约了其在实际光热产水中的应用。一般，提高氧化石墨烯稳定性的方法包括物理交联法和化学交联法。物理交联法制备的氧化石墨烯膜强度较低，难以长期在酸性溶液中稳定，而化学交联法通常会消耗氧化石墨烯表面的含氧亲水基团，不利于水传输。基于此，华中科技大学赵强教授和龚江研究员联合提出了利用自交联的聚离子液体作为交联剂，在温和条件下制备稳定的氧化石墨烯复合膜材料的方法，并将复合膜材料应用于太阳能海水淡化生产淡水。

图1. GCP-x的制备示意图

背景

海水淡化是解决全球淡水资源紧缺的最具潜力的方法。界面太阳能蒸发产水过程，具有能耗低、环境友好、光热转化效率高等优点，是最具潜力的海水淡化方式之一。氧化石墨烯具有丰富的含氧基团（比如-OH，-COOH等）和良好的亲水性；CNT具有宽的太阳能光谱吸收性。然而，氧化石墨烯层间的相互作用较弱，在水溶液中的稳定性较差。针对这一问题，在本工作中，作者使用自交联聚离子液体交联相邻层间氧化石墨烯薄片，制备了一系列柔性的氧化石墨烯-CNT复合膜材料（GCP-x，x表示膜中CNT的含量wt%），并将其应用于海水淡化制备淡水，表现出较高的蒸发速率和优异的稳定性（图1）。

图文详解

GCP-x的制备与表征

本项工作中，自交联聚离子液体用作交联剂，在温和条件下交联氧化石墨烯和CNT制备GCP-x膜。根据13C CP-MAS NMR谱图结果可知，在165 ppm位置的三嗪环峰源于聚离子液体中氰基的交联（图2a）。以GCP-20为例，在强碱或者强酸性溶液中放置270天后，GCP-20膜依然保持完整（图2b），证明氰基聚离子液体的交联作用有助于提高GCP-20膜的稳定性。

图2. (a)聚离子液体交联前后的13C CP-MAS NMR谱图；星号标记的峰归属于三嗪环结构；(b)氧化石墨烯膜和GCP-20在酸性或者碱性环境中不同天数后的照片。

图3. SEM图片：(a和g) GCP-0，(b和h) GCP-5，(c和i) GCP-10，(d和j) GCP-15， (e和k) GCP-20，(f和l) GCP-25；黄色箭头指向的是CNT。

GCP-x膜截面和表面SEM图片显示，水平堆叠的氧化石墨烯薄片和CNT紧密组装成多层夹心结构，且随着CNT含量增加，膜的表面出现大量褶皱（图3）。接触角测试结果表明，GCP-x膜具有较好的亲水。XPS测试的结果表明，GCP-x膜中-OH，-COOH以及C sp³比例没有显著变化，因而氧化石墨烯的亲水结构得以保持。

GCP-x膜的光热产水性能

UV-Vis-NIR光谱证明GCP-20膜的吸光范围包含紫外、可见光和近红外光区，吸光性能达到99%以上，显著高于未改性的氧化石墨烯膜。这一方面得益于GCP-x膜表面的褶皱形成有效散射，延长热辐射光的停留时间，增强膜的光吸收能力；另一方面得益于CNT良好的光热转换性能。在一个光强（1 kW m^-2）下，膜的表面温度可迅速提高到48 ℃。随着CNT含量的增加，水蒸发速率显著增加，在CNT含量为15 wt%时，水蒸发速率最大，为1.87 kg m^-2 h^-1，显著高于氧化石墨烯膜（图4a-4c）。循环14次后，仍保持较高的蒸发速率（图4d）。在处理强酸和强碱溶液时，GCP-20膜的蒸发速率可达到1.85 kg m^-2 h^-1（图4e），显著高于近期报道的诸多光热材料（图4f）。进一步通过分子动力学模拟可知，相比纯水，GCP-20膜中水的蒸发焓大幅降低，有助于提升水的蒸发速率。

图4. (a)GCP-x膜用于界面太阳能蒸汽产生的示意图；(b) 添加不同CNT含量时，GCP-x膜的水蒸发速率和转换效率比较；(c)在1 kW m-2辐照下，不使用光吸收体（注为“Water”）或者使用PVDF膜（载体膜）、GCP-0和GCP-20时，水的累积质量变化曲线；(d)使用GCP-20膜时，在14小时内的水的累积质量变化曲线；(e)使用不同pH值的水时，GCP-20的水蒸发速率变化；(f)GCP-20膜与文献报道的太阳能吸收体的水蒸发速率比较。

此外，GCP-20膜被应用在实际海水淡化中（图5），产水速率从0.12 kg m^-2 h^-1（7:00）提升至1.2 kg m^-2 h^-1（12:00），13个小时内产水量可达到10 kg m^-2。按照1 m²的放大该设备，所产生的水可供5个成年人一天的饮水需求。即使在阴天时，其日产水量也能供2个成年人饮用所需。

图5. (a)用于户外现场测试的太阳能界面蒸汽产生系统的示意图；(b)光照前和(c)光照10分钟后设备的照片；在不同时间下，(d)辐照强度、(e)产水速率和(f)累积产水量的变化曲线。

总结与展望

本项工作中，作者采用自交联聚离子液体原位交联制备稳定的氧化石墨烯-碳纳米管复合膜。复合膜不仅在强酸和强碱溶液中具有良好的稳定性，同时还具有良好的亲水性。与纯水相比，复合膜的水蒸发焓降低20%，蒸发速率提升至1.87 kg m^-2 h^-1。更重要的是，复合膜在实际应用于太阳能海水淡化时，晴天里每日淡水产量高达10.1 kg m^-2，阴天为5.1 kg m^-2。该工作设计的聚离子液体复合膜为海水淡化制备纯净水提供了一种新的策略。

文章信息

本文以“Poly(ionic liquid)-crosslinked graphene oxide/carbon nanotube membranes as efficient solar steam generators”为题发表在Green Energy & Environment期刊，共同第一作者为华中科技大学化学与化工学院2016级本科生韩江津和博士后董志月，通讯作者为龚江研究员和赵强教授，论文作者还包括2019级博士生郝亮。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2021.03.010

通讯作者简介

龚江

龚江，博士，华中科技大学化学与化工学院研究员、博士生导师。2010年本科毕业于四川大学高分子科学与工程学院，2015年博士毕业于中科院长春应化所，2015-2018年先后在德国马克斯普朗克胶体界面研究所和美国得克萨斯州大学圣安东尼奥分校做博士后研究，2018年10月加入华科技大学。研究兴趣为太阳能光热和热电转换材料、光催化材料，以及废塑料升级转化为功能碳材料或者MOF。至今在Prog. Polym. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、Appl. Catal. B: Environ.和Energy Environ. Mater.等期刊发表SCI论文106篇，被引用2850次，获得4项授权的中国发明专利。此外，获得国际纯粹和应用化学联合协会（IUPAC）江教授新材料青年奖、湖北省百人计划等荣誉和奖励。

赵强

赵强，华中科技大学化学与化工学院教授、博导，国家级青年人才。主要从事聚合物功能膜的环境应用基础研究，迄今在Nat. Mater., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc.等期刊发表SCI论文90篇，授权中国发明专利12件，多次获得科技日报等媒体亮点评论。独立工作以来，围绕离子液体聚合物、纳滤膜开展研究，以通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.; Chem. Soc. Rev., Adv. Funct. Mater., Mater. Horiz., ACS Nano, J. Membr. Sci.等期刊发表论文30余篇。担任《膜科学与技术》通讯编委，获华中科技大学青年五四奖章、我最喜爱的教师班主任等荣誉。

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部