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深圳大学《ACS Appl. Mater. Interfaces》:氮掺杂超湿,隔热和弹性石墨烯气凝胶,可高效产生太阳能蒸汽

来源:石墨烯联盟 |

发表时间:2020-06-01

点击:5803

文章来源:材料分析与应用


本文要点:N掺杂石墨烯气凝胶(NGA)的超湿行为。



通过去除含氧官能团,已报道了在惰性气体中进行热处理以改善碳材料的疏水性。本文,深圳大学谢杨苏课题组在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为"Nitrogen-Doped Unusually Superwetting, Thermally Insulating, and Elastic Graphene Aerogel for Efficient Solar Steam Generation"论文,研究报告了氮掺杂石墨烯气凝胶(NGA)的相反现象。随着热处理温度从200升高到1000°C,NGA变得越来越亲水,在空气中保持数周的超湿性。为了发现这种异常现象,通过实验和MD模拟研究了氮掺杂的影响。进一步详细研究了暴露于空气和空气湿度的影响,以清楚地说明整个物理图像。超湿行为归因于水分子优先吸附在氮掺杂位点上,这大大抑制了空气中碳氢化合物的吸附。



图1.(a)示出了NGA的制造的示意图。

(b)展示GA恢复过程的数字图像。

(c)NGA-600在30、50、70和90%的不同最大应变下的应力-应变曲线,

(d)在50%的最大应变下10个周期的应力-应变曲线。

(c)和(d)的加载速率均设置为60 mm·min –1。


图2.水热和后续热退火过程中的结构演变。


图3.(a)基于XPS光谱分析的表面O和N元素组成

(b–e)从200到1000°C的GA和NGA的反卷积N 1s XPS光谱。

(f)基于去卷积的N 1s结果,不同的氮键对退火温度的原子组成。


图4.(a)GA和(b)NGA-600的相机照片和后退的水接触角图像。(c)GA,(d)NGA-200,(e)NGA-400和(f)NGA-600表面上的液滴浸渍过程的高速相机照片。


图5.(a)NGA-600和RGA的后退WCA与热退火温度的比较,显示了氮掺杂的影响。(b)根据MD模拟,氮掺杂的石墨烯的固有表面自由能相对于吡啶N和石墨N的原子比。(c)相对湿度分别为80%和10%的空气中NGA-600的WCA演变。(d)NGA超湿行为的基本机制的示意图。


图6.(a)光密度为1 kW m –2时质量损失与照射时间的关系。

(b)1次太阳照射下的白水,GA水和NGA-600水的蒸发速度(y轴)和能量转换效率(y轴)。

(c)1次日光照射下NGA-600的10个循环的太阳蒸汽产生性能。


总之,具有氮掺杂结构的超湿和机械坚固的石墨烯气凝胶。使用SEM,TEM,XRD,拉曼和XPS光谱对NGA的N掺杂结构的演化进行了详细描述。


文献:


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