氧化石墨烯基气凝胶太阳能水蒸发性能的研究

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由于人口增长、水污染和能源短缺的问题日益严重,人类面临着严重的淡水水资源匮乏的问题。近年来,太阳能驱动的界面水蒸发技术受到了广泛的研究。其中,理想的界面太阳能水蒸发材料对于高效的光热水蒸发起着重要的作用。在全太阳光谱内有着高吸光性能的光热转换材料,主要包括四类:金属纳米粒子,半导体材料,碳基纳米材料和聚合物基黑色纳米材料。在碳基纳米材料中,石墨烯及其衍生物有着极高的宽带光吸收能力,并且其独特的结构赋予了其高比表面积、优良的导电性和力学性能,在光热水蒸发领域有着很好的研究价值。气凝胶是一种多功能、新型纳米多孔保温隔热材料,其低密度、高比表面积及低导热系数等优点使其在光热水蒸发领域得到很大的发挥。为了研究石墨烯基材料在太阳能驱动界面水蒸发和对有机污染物光催化降解方面的效果,本文通过一步水热法和冷冻干燥法制备了还原氧化石墨烯气凝胶(RGOA)、还原氧化石墨烯/银纳米粒子复合气凝胶(RGOA/Ag),以及还原氧化石墨烯/二氧化钛/银纳米粒子复合气凝胶(RGOA/TiO2/Ag),并对其相关性能进行了研究,结果如下:(1)采用一步水热还原法和冷冻干燥法,以抗坏血酸(L-AA)为还原剂,制备了不同氧化石墨烯(GO)含量的还原氧化石墨烯气凝胶(RGOA)。研究结果表明,RGOA内部截面呈竖直通道结构,表面呈多孔网络结构,RGOA既有微孔结构又有介孔结构,具有良好的亲水性,在波长250-2500 nm光谱范围内,GO浓度为4mg/m L时,RGOA试样的光吸收率最高,达到88.74%。当光照强度为1个太阳时,其水蒸发速率为1.42 kg/m~2h,光热转换效率为87.9%。(2)以葡萄糖溶液为还原剂,硝酸银溶液为银源,采用浸泡法将银纳米粒子(Ag NPs)与GO(浓度为4 mg/m L)复合制备了不同Ag NPs含量的还原氧化石墨烯/银纳米粒子复合气凝胶(RGOA/Ag)。测试结果表明,在RGOA粗糙的片层表面均匀地负载着Ag NPs。当硝酸银溶液的浓度为3 mg/m L时,RGOA/Ag光吸收率最高,达到90.45%,仍保持较好的亲水性。在一个太阳光强度的照射下,RGOA/Ag的水蒸发速率为1.56 kg/m~2h,光热转化效率为96.5%。(3)以抗坏血酸(L-AA)为还原剂,制备了还原氧化石墨烯/二氧化钛气凝胶(RGOA/TiO2),TiO2与GO质量比分别为(1:1和1:2)。当TiO2与GO质量比为1:2时,RGOA/TiO2-2的水蒸发性能较好,在此基础上,制备了还原氧化石墨烯/二氧化钛/银纳米粒子复合气凝胶(RGOA/TiO2/Ag)。测试结果表明,在RGOA粗糙的片层表面覆盖着一层TiO2,在TiO2团簇体中均匀地负载着Ag NPs。RGOA/TiO2/Ag不仅具有较高的水蒸发速率(1.53 kg/m~2h)和光热转化效率(96.1%),还具有较高的光催化降解亚甲基蓝(MB)的能力,降解率达到90.6%,而未负载TiO2的RGOA和RGOA/Ag降解率分别为18.1%和75.9%,说明TiO2的引入能够显著提高RGOA/TiO2/Ag降解MB的能力。
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