蒸发材料0511丨北京化工大学AFM论文：三相乳化衍生太阳能热还原氧化石墨烯/十八烷相变泡沫用于耐盐昼夜水蒸发

2025年4月，《Advanced functional materials》期刊在线发表了题为“Three-Phase Emulsion Derived Solar-Thermal Reduced Graphene Oxide/Octadecane Phase-Change Foam for Salt-Resistant Day-Night Water Evaporation”的研究性论文。北京化工大学Jing Wu为论文第一作者，闵芃，李晓峰和于中振为论文通讯作者。《Advanced functional materials》期刊2024年影响因子为18.5，高级功能材料是著名的高级组合和顶级材料科学期刊的一部分，发表改善材料的化学和物理性能有关的杰出研究。

第一作者：Jing Wu

通讯作者：闵芃，李晓峰和于中振

通讯单位：北京化工大学

https://doi.org/10.1002/adfm.202501541

摘要

通过油水三相乳液的界面组装和随后的氧化石墨烯（GO）化学还原，制备了太阳能热还原氧化石墨烯/十八烷（RGO/oct）相变泡沫，用于昼夜蒸发和脱盐。在两亲性烷基糖苷存在的情况下，GO片在水-八面体界面组装，而在搅拌下，在疏水性八面体组分内部生成空气孔，从而形成GO/八面体/空气微球在随后的成型过程中氧化石墨烯被抗坏血酸化学还原，生成孔洞封闭的RGO/oct/空气微球，形成太阳热RGO/oct相变泡沫空气孔隙抑制了对大量水的热传导，而相变阻止了对环境的热损失，从而增强了RGO/八泡沫的热定位能力，泡沫在1太阳辐射下表现出高达4.29kg.m^-2h^-1的高蒸发速率。有趣的是，即使没有太阳光照射，辛烷也能释放潜热，在夜间以2.30kg.m^-2h^-1的蒸发速率促进水分蒸发。微球的重叠模塑允许盐浓度梯度重新排列，使得泡沫在稳定蒸发含25wt%NaCl的卤水中时，表现出令人满意的耐盐性，持续时间长达10小时。

研究背景

全球淡水短缺问题日益严峻，这主要归因于人口的快速增长和工业化进程的加速。为了应对这一挑战，太阳能热界面蒸发技术被视为一种极具前景的解决方案。然而，现有的太阳能蒸发器面临着诸多挑战，如间歇性光照导致的蒸发性能下降、热损失严重以及盐结晶和沉积问题，这些问题都限制了太阳能蒸发器的实际应用效果。为了克服这些挑战，研究者们尝试了多种材料和方法，但均存在一定的局限性。例如，多孔材料在高盐度环境中结构易坍塌；金属氧化物虽然化学稳定性好，但孔隙率和表面积受限；碳材料如氧化石墨烯虽然稳定性高，但单独使用效果有限；而一些结构设计如Janus结构，虽然在一定程度上提高了蒸发效率，但仍存在水的有效传输问题。在此背景下，相变材料（PCMs）因其独特的热储存和释放能力，被视为一种潜在的解决方案。PCMs能够在无光照时提供热量，实现日夜连续的太阳能蒸汽生成，从而克服传统蒸发器因昼夜循环而间歇运行的限制。然而，将PCMs与太阳能蒸发器有效集成仍面临诸多挑战，如PCMs的泄漏问题、与太阳能热材料的直接接触问题以及加工方法的复杂性等。因此，本研究旨在开发一种高效且便捷的策略，将PCMs与太阳能蒸发器集成，以实现日夜连续的水蒸发。具体而言，研究设计了一种太阳能热还原氧化石墨烯/十八烷（RGO/oct）相变泡沫，通过三相乳液的界面组装和GO的化学还原来制备，用于日夜水蒸发和脱盐。这一研究不仅有望解决全球淡水短缺问题，还为太阳能热蒸发技术的发展提供了新的思路和方法。

研究亮点

研究通过油-水-气三相乳液界面组装及随后的化学还原法，成功制备了太阳能热还原氧化石墨烯/十八烷（RGO/oct）相变泡沫。这种独特的制备方法结合了太阳能热转换和相变材料的优势，为太阳能蒸发器的发展提供了新的材料思路。

RGO/oct泡沫由相互连接的RGO片层构成，这些片层完全包裹了十八烷微球，不仅防止了十八烷的泄漏，还形成了具有封闭孔隙的微球结构，提高了材料的稳定性和热效率。

图文导读

图1.a）RGO/氧化铝泡沫制备示意图。b）RGO/氧化铝泡沫蒸发器的耐盐机理。c）RGO/氧化铝泡沫蒸发器相变。

图3.示意图展示了a)开孔RGO泡沫、b)封孔RGO泡沫和(c)RGO/孔泡沫在水分蒸发过程中的热传递情况。d)开孔RGO泡沫、封孔RGO泡沫和RGO/孔泡沫蒸发性能的比较。e)RGO/孔泡沫和f)开孔RGO泡沫蒸发器的盐分排出性能（盐密度为100 mg cm-2）。g)盐分排出过程中，开孔RGO泡沫和RGO/孔泡沫蒸发器内部盐浓度分布的模拟结果。h)RGO/孔泡沫在不同浓度盐水溶液中的质量变化和i)水蒸发速率。

总结展望

通过界面组装三相乳液（油/水/气），随后在VC的帮助下化学还原GO，制备了太阳能热RGO/八烷相变泡沫。相互连接的RGO网络结构完全包裹了八烷微球，抑制了八烷的泄漏。亲水性RGO网络能够高效地将水分输送到蒸发表面，并重新排列泡沫内部的盐浓度梯度，以增强其抗盐性。空心八烷微球协同利用空气的局部加热效应和八烷的相变潜热，减少了向体水和周围环境的热量散失。因此，RGO/辛烷相变泡沫蒸发器实现了高达4.29kg.m^-2h^-1的高水蒸发率，太阳能热转换效率达到87.5%。此外，在黑暗条件下，辛烷的潜热使RGO/辛烷泡沫蒸发器能够维持2.30kg.m^-2h^-1的蒸发速率。RGO/辛烷相变泡沫表现出优异的拒盐能力，可稳定蒸发25%重量比的NaCl溶液长达5天（每天10小时）。为了探索其潜在的农业应用，由RGO/辛烷相变泡沫蒸发器净化的水可用于小麦播种生长的安全灌溉。

论文引用

J. Wu, P. Min, G. Yin, Z.-Z. Yu, X. Li, Three-Phase Emulsion Derived Solar-Thermal Reduced Graphene Oxide/Octadecane Phase-Change Foam for Salt-Resistant Day-Night Water Evaporation. Adv. Funct. Mater. 2025, 2501541. https://doi.org/10.1002/adfm.202501541