自地球上生命誕生以來，就主要以太陽提供的能量生存。自古人類就懂得用陽光曬幹物件，並制作食物的方法。在化石燃料日趨減少的情況下，太陽能已經成爲人類使用能源的重要組成部分，並不斷得到發展。太陽能利用現有的最普遍的利用方式是光電轉換和光熱轉換兩種。因此利用光熱材料將太陽能轉換成熱能並應用于海水淡化和蒸汽産生對環境友好型能源和可再生能源有著非常重要的意義。在所有光熱材料中，石墨烯的高寬帶吸收、高比表面積以及出色的熱穩定性具有非常大的潛力。但是由于難以同時做到提高光的吸收率和抑制熱損失，很高的能量轉換效率依然是個挑戰。基于石墨烯薄膜的太陽能熱蒸發器在單位陽光輻射量下的總能量轉換效率小于40%。基于這些問題，新加坡南洋理工大學Xing Yi Ling教授和Alexander Govorov教授團隊合作，合成了MOF基石墨烯納米複合物，在太陽能驅動海水淡化領域取得重要進展，光熱效率高達98%。相關成果以“Intensifying Heating Using MOF-Isolated Graphene for Solar-Driven Seawater Desalination at 98% Solar-to-Thermal Efficiency”爲題，在頂尖學術期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上發表。
該工作提出了沸石咪唑化物骨架分離的石墨烯（G@ZIF）納米複合物，利用超薄的ZIF層和G@ZIF界面納米腔來協同增強光吸收和熱定位，實現了光熱轉換效率的大幅提升。在沒有任何外部光集中的模擬單日照下，通過將G@ZIF與氧化鋁膜集成在一起，實現了有效的蒸汽發生器，具有高達96%的太陽能到蒸汽轉化效率。而且G@ZIF光熱蒸汽發生器可以實現接近100%的高效海水淡化和淨化汙水。
一、G@ZIF的制備
爲了制備G@ZIF，作者使用了原位生長方法，在室溫條件下將甲醇硝酸鋅和2-甲基咪唑溶液添加到石墨烯分散液中。ZIF首先在石墨烯表面成核，最後生長成平均厚度約177nm的連續薄膜，在兩側完全包封石墨烯。XRD表征證明了石墨烯表面上原始的ZIF結構，拉曼分析還表明了ZIF塗層和嵌入的石墨烯片都存在振動信號。
二、G@ZIF的光熱性能
作者認爲G@ZIF的強光熱性能來源于兩個協同效應。一是石墨烯和ZIF膜之間的界面納米腔，放大光-石墨烯的相互作用長度，實現在整個太陽光譜範圍內最小的透射率和反射率，增強了系統的光吸收能力。獨特的亞波長織構化ZIF塗層、超薄ZIF厚度和兩層之間的折射率變化都使得光集中在石墨烯表面進行吸收而不是被反射。二是由于ZIF的超低導熱率（0.165-0.326 W/mK），石墨烯與ZIF層的完全封裝防止傳導和所産生的熱量對流到周圍環境，以及多孔ZIF層處捕獲的氣體分子存在來幫助減少熱傳導，從而大大抑制了向周圍環境的熱損失。
圖1. G@ZIF的增強的光熱性能。（A）光熱實驗裝置的方案，其中使用紅外相機將激光光束（532nm）照射在G@ZIF表面上，實時記錄被照射樣品的空間溫度分布。（B）G@ZIF和石墨烯在90mW激光照射下隨時間變化的溫度曲線。（C）G@ZIF和石墨烯在激光照射下的熱分析圖。（D）G@ZIF在10次激光照射下隨時間變化的溫度曲線。（E）石墨烯和G@ZIF薄膜的UV-NIR吸收率。（F）與石墨烯相比，G@ZIF的吸光度增強的示意圖。（G）當達到最大平衡表面溫度時，在激光照射下中央照射區的空間溫度分布。（H）與石墨烯相比，G@ZIF的熱局部化和抑制熱傳遞的示意圖。
圖2. G@ZIF的熱損失管理。（A）ZIF在石墨烯表面不同覆蓋率的示意圖。（B）具有不同ZIF覆蓋率的G@ZIF的實驗和擬合溫度時間曲線。（C）在冷卻散熱期間，具有不同ZIF覆蓋率的G@ZIF的熱損失時間。（D）G@ZIF，石墨烯和預形成ZIF納米晶體的物理混合物的最高溫度。（E）G@ZIF界面腔處的濃縮氣體和受限氣體對流的示意圖。（F）共聚焦激光照射西石墨烯的拉曼光譜，隨著環境溫度。（G）石墨烯和G@ZIF在空氣、氮氣和二氧化碳中的拉曼。
三、G@ZIF的太陽能驅動淡化水處理應用
在此基礎上，作者研究了幹燥的G@ZIF薄膜的表面太陽能熱響應，得到了98%的出色的太陽能轉化爲熱能的效率。然後將G@ZIF蒸汽發生器直接放置在散裝水表面上，並在光照下記錄地表溫度和水的重量隨時間的變化。水的蒸發速率能達到1.78 kg/(m2·h)，是沒有蒸汽發生器的8倍。使用基于G@ZIF的蒸汽發生器來淡化海水和處理被染料汙染的水，比較人造海水和冷凝水的含鹽量，收集到的水的鹽度降低了約10,000倍。
圖3. G@ZIF用于高性能的太陽能海水淡化和水處理。（A）太陽能脫鹽系統的示意圖。（B）家用太陽能脫鹽系統的數字圖像，用于在太陽光照射下收集純淨水。（C）脫鹽前後模擬海水樣品中的鹽度。（D）與傳統膜相比，本工作的G@ZIF膜的脫鹽效率。（E）染料汙染的水系統的太陽能淨化示意圖。（F）初始染料汙染的水和淨化後的水的紫外可見光譜。
總之，本篇工作展示了一種在石墨烯上覆蓋絕緣MOF層形成G@ZIF來增強石墨烯的光熱能，從而顯著提高太陽光光熱轉換效率的有效策略。本工作中獨特的G@ZIF設計爲設計和實現有效能量轉換和大規模太陽能驅動應用的高性能光熱材料領域提供了新的可能。
來源：高分子科學前沿
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