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。

作者简介

曹阳，博士，教授，博士生导师。福建省“闽江学者”特聘教授，入选国家高层次青年人才计划，福建省高校领军青年人才。主要研究方向为二维材料异质结构及其在电化学、新能源、及电子等领域的应用基础研究。主持/参与包括基金委面上项目、重大研发计划培育项目及国家重点研发青年项目等多项国家级科研项目，在Science，Nature Nanotechnology，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.等国际知名学术期刊上发表论文50余篇，迄今总引用6000余次。

课题组主页：https://chem.xmu.edu.cn/info/1420/1251.htm

侯旭，博士，教授，博士生导师。国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划纳米科技重点专项项目责人、固体表面物理化学国家重点实验室青委会会长、厦门大学仿生多尺度孔道课题组长、闽江科学传播学者(首批)等。从事仿生智能孔道材料、液体门控技术与仿生纳流离子学研究十余年，出版了两本材料学国际学术著作，并以第一或通讯作者在高水平学术期刊如Nature, Science, Nat. Rev. Mater., Natl. Sci. Rev., Fundamental Research, Sci. Adv., Nat. Commun., 等上发表论文50余篇。2018年获得中国化学会青年化学奖，第十三届福建省自然科学优秀学术论文一等奖；2019年获得中国胶体与界面化学优秀青年学者奖，国际微系统与纳米工程峰会优秀青年科学家等；2020年获得第二届全国创新争先奖等。

课题组主页：https://xuhougroup.xmu.edu.cn/

王苗，博士，助理教授，硕士生导师。主要从事碳纳米管基动态纳米通道及其功能应用材料研究，以第一作者或通讯作者发表论文15篇，包括Adv. Mater.(正封面), J. Am. Chem. Soc., Nano lett., ACS Appl. Mater. Inter., Sci. Bull., Nano Res., Chinese Chem. Lett., 等。主持国家自然科学基金青年项目和企业合作横向课题，作为项目骨干参与国家重点研发计划 “纳米科技” 重点专项，先后获得南京理工大学优秀博士论文，江苏省优秀博士论文，金巴斯 “科创之星” 二等奖，“我眼中的纳米” 特色主题大赛二等奖等，中国化学快报《Chinese Chemical Letters》第四届青年编委会编委。

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.