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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，上海(hai)交通大(da)學(xue)(xue)趙斌元(yuan)副教(jiao)授(Associate Professor Binyuan Zhao)課(ke)題組與(yu)倫(lun)敦(dun)城市(shi)大(da)學(xue)(xue)(City,University of London)喬治丹(dan)尼(ni)斯助理教(jiao)授、國際(ji)化學(xue)(xue)工業(ye)協(xie)會(Society of Chemical Industry,SCI)中英分會主席吳衛平博(bo)士(Dr Weiping Wu)課(ke)題組、牛津大(da)學(xue)(xue)材(cai)料系Robert Bradley教(jiao)授合(he)作，在介孔碳-地聚物復合(he)結構實現風(feng)能(neng)、太(tai)陽能(neng)光熱界面(mian)蒸發，環境友好多級(ji)孔和大(da)孔碳材(cai)料光熱蒸發等前(qian)期工作的基礎上，在持續、穩(wen)定、高速(su)率的界面(mian)蒸發方面(mian)取得了重要進展。

他(ta)們(men)基于(yu)納米光學超材(cai)(cai)料和超表(biao)面原(yuan)理，結(jie)合一維(wei)(wei)+二維(wei)(wei)(1D+2D)材(cai)(cai)料設(she)計(ji)(ji)的(de)新思(si)路，發明(ming)了一種新型的(de)柔性石墨(mo)烯/碳(tan)纖維(wei)(wei)布全碳(tan)基復合材(cai)(cai)料rGO-CC，并設(she)計(ji)(ji)了復合材(cai)(cai)料-親水纖維(wei)(wei)布-隔熱泡沫三層結(jie)構用(yong)于(yu)光熱和電熱蒸發。其中，巧(qiao)妙地采用(yong)電化(hua)學沉積在(zai)碳(tan)纖維(wei)(wei)布表(biao)面沉積氧化(hua)石墨(mo)，并通過電加(jia)熱對氧化(hua)石墨(mo)進行原(yuan)位焦耳(er)熱還原(yuan)，制備了石墨(mo)烯/碳(tan)纖維(wei)(wei)布復合材(cai)(cai)料。

該工作作為正封(feng)面發表在(zai)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(feng)華（Fenghua Liu）為論(lun)文第一作者，趙斌元副教授和吳(wu)衛(wei)平博士為通訊作者。

圖1：封面

該(gai)結構(gou)基于全碳材料，成本低，可(ke)柔性折疊(die)彎曲，環境友(you)好，可(ke)同時采(cai)用太陽能(neng)光熱(re)能(neng)及低驅動壓電(dian)(僅需1伏到3伏供電(dian))產生的(de)焦耳熱(re)，實現(xian)高速(su)率、高效率、穩定、綠色(se)環保的(de)界面蒸發(fa)(圖(tu)2)。該(gai)方案(an)不僅適用于采(cai)用清潔能(neng)源的(de)海水淡化，還可(ke)廣泛適用于各類(lei)蒸發(fa)、蒸餾、污水處理(li)、消毒殺菌(jun)等領(ling)域(yu)。

圖(tu)2：石墨烯-碳纖(xian)維布復合材料的電化學-焦耳熱制備及界面(mian)蒸發裝置(zhi)示意圖(tu)

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，高達水自然(ran)蒸(zheng)發速(su)率的(de)5倍(bei)，顯(xian)著優于其它新型(xing)材(cai)料(liao)。這主(zhu)要是由于整個復合結(jie)構(gou)較薄，熱量局域(yu)化控制效果優異，且該全碳復合材(cai)料(liao)具(ju)有相對較大的(de)孔隙結(jie)構(gou)和適宜的(de)表面(mian)性質，利(li)于蒸(zheng)汽的(de)傳(chuan)質和快速(su)逸出(圖3所(suo)示)。

圖3：石墨烯-碳纖維布全碳復(fu)合材料掃描電子顯微鏡(SEM)照片(pian)、紅外熱成像照片(pian)、光吸收性能及光熱界面蒸發(fa)曲線

此外，他們進一步采用(yong)低電(dian)(dian)壓驅(qu)動的(de)(de)(de)焦(jiao)耳(er)(er)熱效應，有效的(de)(de)(de)解(jie)決了光熱蒸發的(de)(de)(de)不(bu)穩定和速率(lv)低等問(wen)題(ti)。碳纖維(wei)布及(ji)其與石(shi)墨烯的(de)(de)(de)全碳復合材料(liao)，具有高(gao)度(du)石(shi)墨化(hua)的(de)(de)(de)結構，電(dian)(dian)導性能(neng)優良，采用(yong)該材料(liao)在較低的(de)(de)(de)電(dian)(dian)壓下即可實現顯著的(de)(de)(de)焦(jiao)耳(er)(er)熱效應。實驗表明，當(dang)施加低電(dian)(dian)壓時(shi)，表面焦(jiao)耳(er)(er)加熱溫(wen)度(du)極為容易突破水(shui)的(de)(de)(de)沸點(100攝(she)氏度(du))，最(zui)高(gao)加熱溫(wen)度(du)可達到385攝(she)氏度(du)，而(er)且啟動時(shi)間短，加熱溫(wen)度(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-碳纖維布復合結構的(de)焦耳熱性能

圖5：石墨(mo)烯-碳(tan)纖維(wei)布復(fu)合結(jie)構的焦耳熱界(jie)面蒸發

這項研究工作取得了太(tai)陽光(guang)熱(re)海水淡(dan)化(hua)、界面蒸發領(ling)域的(de)突破性(xing)進展。利用(yong)電場焦(jiao)耳熱(re)和(he)太(tai)陽能光(guang)熱(re)相結合(he)的(de)策略，有望成為(wei)穩定持(chi)續、高(gao)速率界面蒸發的(de)最有效的(de)解決(jue)(jue)方案，在海水淡(dan)化(hua)、污水處理、飲用(yong)水凈化(hua)和(he)新(xin)能源(yuan)利用(yong)等(deng)方面具(ju)有廣闊的(de)前景(jing)，為(wei)可(ke)持(chi)續發展、環境保護(hu)、氣候變化(hua)和(he)緩解淡(dan)水資源(yuan)短缺等(deng)問題(ti)提供了一種極具(ju)潛(qian)力的(de)解決(jue)(jue)方案。

論文獲得了審稿人(ren)高(gao)度(du)評(ping)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(bing)被Advanced Sustainable Systems選(xuan)為該刊2020年(nian)第4卷(juan)第3期正(zheng)封面。

該項目獲得了(le)英國創(chuang)新署(shu)(Innovate UK,Grant104013)、英國研究(jiu)與創(chuang)新署(shu)(UK Research and Innovation,UKRI)，全球(qiu)研究(jiu)挑戰基金(Global Challenges Research Fund，簡(jian)稱GCRF)和(he)上海市科委(STCSM,Grant17230732700)的資助。