山东第一医科大学李晨蔚团队Adv. Sci.：3D组装粘土/石墨烯气凝胶用于连续太阳能除盐和有机溶剂吸收

成果导读01

淡水是生命的源泉，对人类的生存和发展具有重要意义。虽然水是地球上最丰富的资源，但海水占总水资源的96.5%，而人类可以直接消耗的淡水资源比例不到0.36%。而且，随着工业化的快速发展，工业含油废水数量的增加和有机溶剂的泄漏也使淡水短缺的问题更加严重。由于传统的海水淡化技术造成的环境污染和能源消耗，不适合欠发达和资源贫乏的地区。近年来，新开发的太阳能界面蒸发技术引起了广泛关注。由于其可以将热能限制在水-空气界面，因此有效地提高了太阳能蒸发效率。但太阳能脱盐过程中，由于蒸汽的快速产生导致了局部盐水浓度显著增加，最终导致了盐在装置表面结晶。结晶盐不仅严重影响了阳光的吸收，降低了光热转换效率，而且还阻碍了供水和蒸汽的孔道，最终导致蒸发性能显著下降。因此，构建可连续、高效处理高浓度盐水的太阳能蒸发装置是一个巨大的挑战。

成果介绍02

针对以上挑战，山东第一医科大学李晨蔚教授、丁美春副教授与中科院化学所刘琛阳研究员等以低成本商用泡沫为可牺牲模板，制备了超弹性、任意形状和3D组装的粘土/石墨烯气凝胶（CGAs）用于太阳能脱盐和有机溶剂吸附。在本工作中，粘土（凹凸棒土、锂藻土和蒙脱土）在构建CGAs中发挥了重要作用，使石墨烯的用量减少了50%，降低了制备成本。所得的CGAs显示出超弹性，在95%的应变下，压缩强度为0.09-0.23 MPa。通过引入不同种类的粘土可以调整CGAs的亲/疏水性（接触角56-141^o）。疏水性的CGAs显示出优异的油/有机溶剂吸收性能（186-519倍），并在循环吸附过程中表现出稳定的性能。此外，研究人员还设计了3D组装的亲水CGAs可以用于高效太阳能除盐。这种设计有效地促进了能量回收和盐水运输管理，3D CGA在处理高浓度（20 wt.%）盐水时，表现出极高的蒸发速率（4.11 kg m^-2h^-1）。在1个太阳光强下连续照射36小时，样品表面没有盐沉积。通过定期挤压和干燥盐收集器中的溶液，可以方便地收集盐分。因此，3D组装的CGAs在连续太阳能脱盐和高效的油/有机溶剂吸附方面具有巨大的应用潜力。

相关研究成果近日以《超回弹、3D组装粘土/石墨烯气凝胶用于连续太阳能除盐和有机溶剂吸收》（Superelastic 3D Assembled Clay/Graphene Aerogels for Continuous Solar Desalination and Oil/Organic Solvent Absorption）为题发表在国际知名期刊《Advanced Science》上。论文第一作者为山东第一医科大学丁美春副教授，通讯作者为李晨蔚教授。

图文介绍03

图1. CGAs的制备。

（a）CGA制备过程示意图；

（b）CGA（~4 mg cm^-3）放置在蒲公英上的照片；具有复杂形状CGAs：（c）“山东第一医科大学”中文字样，（d）“海豚”，“海狮”，“北极熊”和“海星”形状；

（e）大尺寸CGA的照片；

（f）3D CGA的照片。

图2. CGAs的力学性能测试。

（a）不同应变下CGA的应力-应变曲线；

（b）凹凸棒土/石墨烯气凝胶（AGA）、（c）锂藻土/石墨烯气凝胶（LGA）和（d）蒙脱土/石墨烯气凝胶（MGA）的循环压缩应力-应变曲线；

（e）CGAs和石墨烯气凝胶（GA）压缩过程的应力-应变曲线；

（f）CGAs与其他弹性气凝胶的力学性能对比；

（g）AGA在一系列恶劣环境下的耐久性测试，包括：20次循环压缩测试，高温（95 °C，1小时），超声波搅拌（400 W，1小时），碱性（pH ≈ 14，24小时）环境，酸性（pH ≈ 1，24小时）环境和水中20次循环压缩测试。

图3. CGAs的吸附性能测试。

（a）CGA和GA的接触角测试。

分别使用LGA和MGA快速吸收水中的（b）甲苯（苏丹III染色，顶部）和（c）二氯甲烷（用苏丹III染色，底部）的照片；

（d）3D立方杯形CGA组装过程的照片；

（e）利用3D立方杯形MGA快速分离二氯甲烷（苏丹III染色）和水；

（f）LGA和（g）MGA对各种有机溶剂和油的吸收能力；

（h）LGA和MGA与其他气凝胶的吸附性能的对比；

（i）MGA在循环吸附/燃烧过程的吸附稳定性测试；

（j）通过燃烧回收MGA的照片；

（k）MGA在循环吸附/压缩过程中吸附性能稳定测试；

（l）通过压缩回收MGA的照片。

图4. 3D组装AGA太阳能蒸发器的设计与制备。

（a）AGA的吸收光谱；

（b）GA和AGA的热导率；

（c）蒸发性能测试装置示意图；

（d）2D AGA能量损失和（e）3D AGA I的能量回收的示意图。插图：在1个太阳下，2D AGA和3D AGA I的水质量随时间的变化；

（f）2D AGA和（g）3D AGA II的盐水运输和盐结晶过程示意图。插图：在1个太阳下，2D AGA和3D AGA II蒸发盐水（20 wt.%）的速率；

（h-i）使用金字塔形MF和三棱锥MF组装3D AGA III的示意图和实物图。插图：在1个太阳下，3D AGA III在蒸发盐水（20 wt.%）的速率；

（j）3D AGA IV的设计示意图和实物图。

图5. 3D组装AGA太阳能蒸发器的性能测试。

（a-b）将一块充满水的p-MF放置在3D AGA IV上作为盐收集系统。由于3D AGA IV的横截面积增大，盐水沿径向输送，导致3D AGA IV上表面边缘盐水浓度增加。在盐浓度梯度的驱动下，p-MF可以吸收3D AGA IV表面的盐；

（c）在1个太阳下，2D AGA和3D AGA I-IV蒸发20 wt.%盐水的速率；

（d）在3.5-25wt.%盐水浓度下，3D AGA IV与其他太阳能蒸发器件的性能对比；

（e）配备p-MF的3D AGA IV在连续脱盐测试过程0、12、24和36小时的照片；

（f）连续脱盐过程中，随着水的蒸发，水位逐渐降低，直至水与盐完全分离；

（g）在1个太阳下，配备p-MF的3D AGA IV在20 wt.%盐水中的长期脱盐测试；

（h）基于2×2阵列的3D AGA IV，构建简易的太阳能器件用于收集淡水；

（i）在太阳能脱盐前后，不同盐度（3.5-25 wt.%）盐水中Na⁺的浓度；

（j）太阳能海水淡化前后，来自中国青岛的海水样品中Ca²⁺、K⁺、Na⁺和Mg²⁺的浓度。

文章信息：

Meichun Ding, Hao Lu, Yongbin Sun, Yujian He, Jiahui Yu, Huijun Kong, Changxiang Shao, Chen-Yang Liu, and Chenwei Li*, Superelastic 3D Assembled Clay/Graphene Aerogels for Continuous Solar Desalination and Oil/Organic Solvent Absorption,Advanced Science, 2022, 2205202.

全文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202205202

通讯作者简介：

李晨蔚，山东第一医科大学化学与制药工程学院教授/博士生导师。2016年博士毕业于中科院化学所。2021年加入山东第一医科大学，入驻济南校区医学滚球体育 创新中心，并组建“石墨烯复合材料功能化”研究团队，目前团队有教授1名，副教授5名。目前从事高力学性能石墨烯气凝胶的制备和石墨烯复合气凝胶功能化研究，主要涉及太阳能光热材料、柔性传感器、柔性储能材料、轻质吸波/电磁屏蔽材料等。近年来，以第一作者和通讯作者在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science等国际知名期刊上发表SCI论文20余篇，并主持多项重要科研项目。目前，团队诚招博士后2名，感兴趣的同学可将简历发至邮箱：lichenwei@iccas.ac.cn。

本文由作者供稿。