青岛科大宗鲁ACS Nano：Janus石墨烯多孔水凝胶，增强机械和高效太阳能海水淡化

颗粒在线讯：吸光水凝胶提供了一种利用太阳能快速蒸发水的方法。然而，由于太阳能吸收剂和水凝胶基质之间的微弱界面相互作用以及溶胀水凝胶基蒸发器的难以控制的表面形貌，要获得兼具耐用机械性能和高效能量利用的吸光水凝胶仍然具有挑战性。

最近，科研人员展示了一种有效的纳米限制策略，通过氢键和疏水相互作用的强界面相互作用来组装海绵状聚（乙烯醇）/类Janus 氧化石墨烯混合水凝胶（SPJH）。所得的 SPJH 具有由气泡和冰晶模板化的耐人寻味的分层微观结构，显示出高韧性（~231 kJ m-2）和极限应变（~310%），是吸光水凝胶的三倍以上和 4.18 kg m–2 h–1 的高蒸发率，在 1 次太阳照射下（相对湿度 = 20%；温度 = 25 °C），蒸发率高达 95%，通过协同机械和能量纳米限制和定制的表面形貌实现在设计的混合水凝胶中。这种具有巧妙设计原理的基于混合水凝胶的太阳能蒸发器为可扩展和可加工的太阳能水净化设备提供了途径。

图 1. 基于海绵状 PVA/Janus 类氧化石墨烯混合水凝胶 (SPJH)的太阳能蒸汽生成 (SVG) 示意图。

图 2. (a) 准备好的 SPJH 的照片。(b-d) 不同放大倍数下的 SEM 图像显示 (b) 1 mm 尺度的孔隙形态，(c) 200 μm 尺度的孔隙形态，以及 (d) 50 μm 尺度的孔隙形态。(e) PHs、SPHs 和 SPJHs 的孔径分布。(f) FTIR 光谱显示了 JGO、SPH 和 SPJH 的化学成分。(g) JGO、SPH 和 SPJH 的拉曼光谱；SPH 和 SPJH 的拉曼成像。

图 3. (a) 具有不同 JGO 含量的 SPJH 的应力-应变曲线。(b) 具有不同 JGO 含量的 SPJH 的拉伸韧性。(c) 具有不同 JGO 含量的 JGO 和 SPJH 的 XRD 谱。(d) SPHs 和 SPJHs 多孔形态的比较。(e) 动态力学分析显示了 SPHs 和 SPJHs 的储能模量 (G') 和损耗模量 (G")。(f) SPJHs 与其他吸光水凝胶的拉伸韧性比较。

图 4. (a) PJH 和 SPJH 表面反射的光示意图以及 PJH 和 SPJH 表面的数码照片。(b) 约 1 mm 厚的 SPJH 和 PJH 片材的 UV-vis NIR 光谱。棕色虚线表示气团 1.5 全球（AM 1.5 G）倾斜太阳光谱的归一化光谱太阳辐照度密度。

图 5. (a) SPJH、PJH、SPH 和 PH 在 1个阳光下 (1 kW m-2) 的水质量损失，以纯水为对照。内图是太阳水分蒸发PH、PJH、SPH、SPJH的宏观图。(b) SPJH 的数字和红外图像，照射时间为 5、10 和 60 分钟。(c) 蒸发率随时间、盐度 (‰) 和相对湿度 (RH) (%) 的变化。深蓝色区域表示水分蒸发速度快，浅蓝色区域表示水分蒸发速度慢。(d) PH、SPH、PJH、SPJH 和水的蒸发焓。(e) SPJH的持续时间测试基于在 1 个太阳下连续 1 周（168 小时）的太阳能淡化。(f) SPJH 在 1 太阳下与之前的报告相比的蒸汽发生性能。

图 6. (a) 模拟实际净水设备的太阳能净水系统的数码照片和示意图。(b) SPJH 在 1 个太阳下以 0、20、40 和 60 mL min-1 的不同气流速度输送水。(c)脱盐前后实际海水样品中四种主要离子的测量浓度。(d)使用电极间距离恒定的万用表评估水的纯度。(e) 10 小时室外太阳能海水淡化过程中的纯净水量，仔细跟踪太阳通量、环境温度和风速。

相关论文以题为Biomimetic Hybridization of Janus-like Graphene Oxide into Hierarchical Porous Hydrogels for Improved Mechanical Properties and Efficient Solar Desalination Devices发表在《ACS Nano》上。通讯作者是青岛科技大学宗鲁副教授。