碳纳米管-nano-Fe3O4优化复合石墨烯水凝胶，用高性能太阳能蒸发

摘要：面对日益稀缺的淡水资源，利用可持续太阳能进行水蒸发为缓解水资源危机提供了一条有效途径。本文，重庆大交通大学Xu Xiang 等研究人员在《Desalination》期刊发表名为“Carbon nanotube-nano-Fe3O4 composite grap

1成果简介

面对日益稀缺的淡水资源，利用可持续太阳能进行水蒸发为缓解水资源危机提供了一条有效途径。本文，重庆大交通大学Xu Xiang 等研究人员在《Desalination》期刊发表名为“Carbon nanotube-nano-Fe3O4 composite graphene hydrogel with optimized 3D structure for high-performance solar evaporation”的论文，研究以氧化石墨烯（GO）、碳纳米管（CNTs）、纳米 Fe3O4 和聚乙烯醇（PVA）为原料，制备了一种高效水凝胶太阳能蒸发器（GHCFeP）。

CNTs 具有优异的分子热振动效应，而纳米 Fe3O4 则具有卓越的光吸收和光热转换机制，两者的结合使复合水凝胶具有更好的光热转换能力。同时，PVA 的引入增强了水凝胶的水传输能力。此外，这项研究还优化了水凝胶的三维（3D）结构，减少了蒸发器表面的 “蒸发死区”，提高了水凝胶的蒸发率。由于 GHCFeP 的蒸发焓较低（1377 kJ/kg），在1.0太阳光照射下，其在纯水中的蒸发率达到 2.133 ± 0.166 kg-m-2-h-1，在模拟海水中的蒸发率达到 1.778 ± 0.181 kg-m-2-h-1。此外，通过将蒸发器塑造成蜂窝状结构，还进一步提高了 GHCFeP 的蒸发率。蜂窝状 GHCFeP 在纯水中的蒸发率为 2.304 ± 0.042 kg-m-2-h-1，光热转换效率为 92.4%，在模拟海水中的蒸发率为 2.045 ± 0.050 kg-m-2-h-1。总之，这项工作不仅开发了一种高效太阳能蒸发器，还通过优化三维结构实现了更高的光热转换效率，为相关研究提供了新的见解和策略。

2图文导读

图1、Preparation of GHCFeP composite hydrogel and its application in solar evaporators.

图2. Microscopic morphologies of the freeze-dried composite hydrogels: (a) GH-8, (b) GHC, (c) GHFe, (d) GHCFeP.

图3. (a) XRD patterns of GH-8, GHC, GHFe, GHCFe, and GHCFeP. (b) IR spectra of GH-8, GHC, GHFe, and GHCFeP. (c) XPS spectrum of GH-8 and GHCFeP. (d-f) XPS peaks of C1s, O1s, and Fe2p for GHCFeP. (g) Height change diagram of GHCFeP before and after bearing different weights. (h) Stress-strain curves under compression for GH-8, GHCFe, and GHCFeP.

图4. (a) UV–Vis-NIR spectra of GO, CNTs, Nano-Fe3O4, GH-8, and GHCFeP. (b) Surface temperature changes of GH-8 and GHCFeP under one sun intensity illumination. (c) Dynamic water contact angle tests on the surfaces of GH-8 and GHCFeP. (d) Mass change of different GH samples. (e) Mass change of composite hydrogels with different components. (f) Comparison of evaporation efficiency between GHCFeP and other similar materials

图5. (a ~ b) Mass change and evaporation rate of the evaporator in different test areas. (c ~ d) Mass change and evaporation rate of pie-shaped and honeycomb-shaped evaporators in pure water. (e) Temperature distribution of pie-shaped and honeycomb-shaped hydrogels simulated by COMSOL under the same light intensity.

图6. (a) Schematic diagram of the GHCFeP evaporator for simulating seawater evaporation. (b ~ c) Performance of the GHCFeP evaporator in simulated seawater. (d) Photographs of salt dissolution on the surface of the GHCFeP evaporator under 1.0 sun illumination. (e) Comparison of the evaporation performance of the GHCFeP evaporator with similar materials under simulated seawater conditions.

3小结

总之，我们开发了一种由纳米氧化铁和碳纳米管协同增强的 rGO 复合水凝胶，可用于太阳能蒸发器。通过加入 PVA 增强其亲水性，我们确保了水分子的高效传输。此外，蜂窝状的三维结构有助于减少蒸发器表面的蒸发死区，提高蒸发器的蒸发率。蜂窝状 GHCFeP 蒸发器在淡水中的蒸发效率为 2.304 ± 0.042 kg-m-2-h-1，在模拟海水中的蒸发效率为 2.045 ± 0.050 kg-m-2-h-1，超过了之前报道的大多数同类材料。此外，该蒸发器还具有良好的稳定性和出色的耐盐性，因此有望应用于复杂的海洋环境。这项工作不仅报道了一种高效的 rGO 水凝胶太阳能蒸发器，还为利用 PVA 提高水凝胶内的水分子传输速率以及通过三维结构优化增加工作面积的策略提供了宝贵的见解。这些策略有可能成为相关研究的通用优化方法。

文献：