太陽能發電是一種可持續的水處理技術，有助于緩解全球水資源短缺問題。然而，由于水蒸發的高能耗導致蒸發率低，該技術面臨著巨大的挑戰。在這里，通過簡便的原位生長策略開發了一種共價有機框架（COF）/石墨烯雙區域水凝膠，在一種材料中包含親水和疏水區域。親水 COF 覆蓋部分疏水石墨烯區域。通過對兩個潤濕區域的精確控制，混合水凝膠顯示出有效的光捕獲、可調節的潤濕性、優化的水含量以及降低水汽化的能量需求。作為太陽能吸收器，雙區域水凝膠在 1 次太陽照射（1 kW m
-2）下的蒸汽產生率高達 3.69 kg m
-2 h
-1，與其他最先進的材料具有很好的競爭優勢。此外，這種水凝膠蒸發器可用于從海水和污水中生產飲用水，展示了水處理的潛力。
Figure 1. 用于加速太陽能驅動水蒸發的 COF/石墨烯雙區域水凝膠方案。 3D 多孔通道能夠快速向上輸送水。雙區域協同作用將通道尺寸從~2.3μm調節到~12.3μm，增強太陽能吸收并優化水分含量，從而降低蒸發的能量需求。
Figure2. (a) COF-SO
3H 的化學結構。 (b) 分別使用 20 mL（左）和 120 mL（右）高壓釜合成的 CGH-50 的照片。 (c, d) CGH-50 的 SEM 圖像。 (e) CGH-50 的 SEM 圖像和相應的 EDS 映射。 (f) COF-SO
3H 和 CGH 的 FT-IR 光譜。 (g) CGH 的 XPS 測量光譜。 (h, i) CGH-50 的 AFM 圖像和相應的高度剖面。
Figure 3. （a-e）冷凍干燥樣品的水接觸角和 CGH 中雙區域的相應示意圖，其中藍色區域代表純 rGO，而橙色區域代表 COF@rGO。 （ f ）CGH的UV-vis-NIR吸光度。 (g) CGH 中的含水量和中間水 (IW) 與游離水 (FW) 的比例。 (h) CGH中純水和水的暗蒸發率和蒸發焓。 (g) 和 (h) 中的誤差線表示從使用不同樣品的五次測量中獲得的標準偏差。
Figure 4. (a) 水蒸發測試中使用的裝置方案。 （b，c）純水和 CGH 在 1 個太陽照射（1 kW m
-2）下隨時間變化的溫度和質量變化。 (d) 來自 CGH 的水分蒸發率和 1 個太陽下的能源效率。誤差條代表使用不同樣品的五次測量獲得的標準偏差。 (e) 蒸發速率比較顯示 CGH-50 在碳基蒸發器中的高性能。 (f) 使用模擬海水和 CGH-50 進行七個循環的穩定性測試。
Figure 5. (a) 太陽能驅動清水收集裝置的照片。 (b) 脫鹽前后模擬海水的離子濃度。 (c) 純化前后的重離子濃度。 (d) 染料污染水和純凈水的紫外-可見光譜和照片。
相關研究工作由德國柏林工業大學Arne Thomas課題組于2022年在線發表于《JACS》期刊上，原文：A Covalent Organic Framework/Graphene Dual-Region Hydrogel for Enhanced Solar-Driven Water Generation。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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