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  優化太陽能蒸發器的表面形貌對促進光吸收，提高太陽能蒸汽轉換效率具有重要意義。因此，此工作通過靜電自組裝偶聯苯胺（AN）原位聚合，報道了一種控制氧化石墨烯（GO）表面形貌的新策略。GO表面與聚苯胺（PANI）納米錐陣列完全雜化混合，表現出具有高度可折疊構型的周期性結構。此外，PANI陣列還能調節GO的表面化學性質以防止氧化石墨烯重新分散在水中，從而使相應的復合材料具有強大的結構耐久性。得益于這些優異的性質，所制備的二維蒸發器具有增強蒸發性能，在1個太陽光照下速率可達1.42 kg m^?2 h^?1。進一步的研究表明，PANI陣列在GO表面所形成的周期性錐形結構通過多次反射增強了太陽光吸收，有利于熱定位和熱局域化。海水蒸發實驗驗證了這種具有表面周期結構蒸發器用于實際淡水生產的可靠性。數學模擬和光學顯微鏡觀察顯示材料表現出表面形貌強化蒸汽生成效應。此項研究為合理調控光熱材料表面形貌提供了新曙光。

  淡水資源與生態圈和社會發展關系密切。然而，淡水供應不足已成為全球面臨的最嚴峻挑戰之一。由于地球上太陽能資源豐富并且綠色環保，最近人們發現，先進的太陽能驅動界面蒸發（SDIE）技術可用于解決水資源短缺問題。這種最具前景的生態友好型且可持續的技術引發了許多工業應用，包括海水淡化、污水處理和蒸汽滅菌。通常，太陽能蒸發器由太陽能吸收層、水分傳輸層和隔熱層三部分組成。其中太陽能吸收層可以吸收太陽輻射，并將所吸收的輻射能轉化為熱能，一般可分為三大類：等離子體金屬、半導體、和碳材料。碳材料，例如石墨烯及其衍生物、聚合物等，因其成本效益高和高度可調諧結構從而成為最有競爭力的太陽能吸收材料。水分傳輸層能夠將水分及時傳輸到太陽能吸收層以實現持續的水分蒸發。通常，具有獨特孔隙率、微通道和一定親水性的物質被用作水傳輸基質。而隔熱層有助于抑制整個蒸發過程中的熱量損失。二維太陽能蒸發器因其具有強的熱局域化和低熱損失特點，迄今在SDIE中已獲得廣泛的關注。然而，由于其相對平坦的蒸發表面，二維太陽蒸發器表現出較低的表面粗糙度和蒸發性能。考慮到可以在蒸發器的表面設計拓撲結構，通過光的內部多重反射和散射促進光的吸收和熱管理，以及降低蒸發表面的水分含量來促進表界面水蒸發，合理設計具有高表面粗糙度的蒸發器對于高性能光熱水蒸發系統是必不可少的。

圖1用于太陽蒸發GO/PANI復合材料的表面改性示意圖。

圖2 GO表面PANI陣列結構的形成機制。

圖3不同GO：PANI質量比樣品的SEM形貌圖：(a) GO, (b) PANI, (c) PG-1, (d)和(e) PG-10, (f) PG-50。（嵌入圖:不同樣品的光吸收示意圖）。

圖5太陽能蒸發性能圖

圖6具有平坦表面的GO （左）和周期性錐形陣列結構表面的PG-10 （右）蒸發器的熱量、水速和壓力的數值模擬圖。(a, b) 溫度分布 (℃)。(c, d) 流速 (mol m^?2)分布。(e, f) 蒸氣分壓(Pa)分布。

  綜上所述，本工作報道了一種由氧化石墨烯和聚苯胺陣列組成的高效率太陽能蒸發器。通過表面工程，在氧化石墨烯表面原位生長了高度分散的聚苯胺納米陣列。PG復合材料中的雙面聚苯胺陣列具有三個作用:（1）通過靜電相互作用鈍化氧化石墨烯的親水性基團，從而防止氧化石墨烯重新堆積和溶解于水中；（2）通過增強光內部多重反射和漫反射提高了光的吸收，增強了熱局域化能力；（3）陣列拓撲結構有利于擴大蒸發面，加速蒸汽生成。得益于PG復合材料的這些特性，在一個太陽光照下，得到了了1.42 kg m^-2 h ^-1水分蒸發速率。數值模擬表明，PG蒸發器蒸發性能的提高源于氧化石墨烯表面周期性錐形聚苯胺陣列。這項工作集中于蒸發器的表面調控，為高效的太陽能蒸發應用提供一種可借鑒的新思路。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202209207

作者介紹：

  趙鑫，北京化工大學博士研究生，研究方向為光熱轉換用碳功能材料的設計、構筑以及在太陽能界面蒸發領域的應用。

  孟祥桐，北京化工大學化學工程學院副教授、碩導；北京化工大學優秀青年教師。石油和化工行業新型碳基功能材料重點實驗室核心骨干（主任為邱介山教授）。以第一或通訊作者身份在Angew. Chem.、Adv. mater.、Adv. Energy Mater.等國際刊物上發表論文20余篇，授權發明專利3件。2019年獲得首屆“化工與材料”京博博士論文獎銅獎；2021年獲得中國石化聯合會-Clariant可持續發展青年獎優秀獎；Journal of Materials Chemistry A杰出審稿人。目前擔任《Catalysts》、《潔凈煤技術》學術刊物的青年編委。作為項目負責人，目前主持國家自然科學基金青年基金、中央高校基本科研業務費基金、廣西省自然科學基金面上項目、國家重點實驗室培育項目等課題。

  邱介山，北京化工大學化學工程學院教授、院長、校學術委員會副主任，國家杰出青年基金獲得者，教育部長江學者特聘教授，國務院政府津貼專家，國家“有突出貢獻中青年專家”及國家“百千萬人才工程”人選。主要從事功能碳材料的合成及應用、煤炭的高效高值精細化利用、能源化工等領域研究。多項技術實現產業化/規模化應用，提升了相關地區和行業的科技水平和實力，創造了良好的經濟效益和社會效益。作為主要起草人之一，完成“煤焦化焦油加工工程設計標準”等國家標準的制定。在國內外學術刊物發表論文800余篇，其中700余篇論文發表在《Nature Mater.》《Adv. Mater.》《Adv. Funct. Mater.》《Adv. Energy Mater.》《Energy Environ. Sci.》《Nature Commun.》《Angew. Chem. Int. Ed.》《J. Am. Chem. Soc.》《Joule》等國際學術刊物上(其中，IF >10刊物論文370余篇，67篇論文被選為國際學術刊物封面)，論文被SCI總引43000余次(單篇被SCI引用100次以上論文102篇)，h指數101 (Web of Sci.)，ESI高被引論文累計80余篇；煤基功能碳材料的研究論文數量(web of sci.)，世界第一，引領了煤化學化工學科的前沿發展方向；申請及授權發明專利140余件。榮獲教育部自然科學一等獎、遼寧省自然科學一等獎、中國顆粒學會自然科學一等獎、中國化工學會科學技術獎一等獎、中國發明協會發明創業獎創新獎一等獎、全國百篇優秀博士論文導師獎等獎勵和表彰20余次。自2018年始，連續入選“科睿唯安”全球高被引科學家榜單；2019-2021年連續入選Elsevier中國高被引學者榜單(化學工程)。入選全球頂尖前10萬科學家榜單(全球排名1596位，2022年4月)。長期從事功能碳材料的合成及應用、煤炭的高效高值精細化利用、能源化工等領域研究。

  課題組主頁：https://carbon.buct.edu.cn/main.htm