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2026 , Vol. 84 >Issue 3: 333 - 340

DOI: https://doi.org/10.6023/A25110384

研究论文

石墨烯@碳纳米管异质结光热材料的构筑及太阳能蒸发性能研究

  • 孙庆磊 a, † ,
  • 张琦 a, † ,
  • 金延超 b ,
  • 慈海娜 , a, c, * ,
  • 魏振文 , b, * ,
  • 何燕 , a, *
展开
  • a 青岛科技大学机电工程学院 山东青岛 266061
  • b 青岛德固特节能装备股份有限公司 山东青岛 266300
  • c 山东省橡胶基高性能复合材料与先进制造重点实验室 山东济宁 272106

†共同第一作者

收稿日期: 2025-11-26

  网络出版日期: 2026-01-21

基金资助

国家自然科学基金(52202038)

山东省自然科学基金(ZR2022QE081)

山东省高等学校青创团队(2023KJ102)

中国博士后科学基金(2025M770023)

山东省泰山学者(tstp20250505)

收起

Construction of Graphene@Carbon Nanotubes Heterojunction Photothermal Materials and Their Solar Evaporation Performance

  • Sun Qinglei a ,
  • Zhang Qi a ,
  • Jin Yanchao b ,
  • Ci Haina , a, c, * ,
  • Wei Zhenwen , b, * ,
  • He Yan , a, *
Expand
  • a College of Electromechanical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266061
  • b Qingdao Doright Company Limited, Qingdao, Shandong 266300, China
  • c Shandong Province Key Laboratory of Rubber-Based High-Performance Composites and Advanced Manufacturing, Jining, Shandong 272106, China
*E-mail: ;
;

†The authors contributed equally to this work

Received date: 2025-11-26

  Online published: 2026-01-21

Supported by

National Natural Science Foundation of China(52202038)

Natural Science Foundation of Shandong Province(ZR2022QE081)

Youth Innovation Technology Project of Higher School in Shandong Province(2023KJ102)

China Postdoctoral Science Foundation(2025M770023)

Taishan Scholar Project of Shandong Province (China)(tstp20250505)

Fold

摘要

随着全球经济的快速发展和人口规模的持续增长, 水资源短缺问题日益严峻. 开发新型高效水净化材料以实现水资源可持续利用, 已成为当前研究的热点. 太阳能界面蒸发技术因高效利用可再生能源进行水处理而备受关注, 其中光热材料的设计与构筑是其关键所在. 碳基纳米材料因具有宽光谱吸收、高光热转化效率、优良的稳定性及可调控的结构特性, 被认为是极具潜力的新一代光热材料. 基于此, 采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术, 在碳纳米管(CNTs)基体上原位生长石墨烯(Gr)纳米片, 构筑了三维Gr@CNTs异质结材料. 该材料具有高比表面积和大孔隙结构, 在3 Sun光照强度(3 kW/m2)下, 材料的表面温度在30 s内可迅速升至138.8 ℃. 经过碱化处理后获得强亲水性自支撑薄膜, 并与聚氨酯海绵复合形成蒸发器, 可应用于太阳能蒸发系统, 其水蒸发速率可达3.62 kg/(m2•h), 光热转化效率高达84.0%. 相比于纯CNTs材料, Gr@CNTs材料展现出更加优异的光热性能和快速光响应特性, 为碳基光热材料在高效太阳能蒸发与水处理领域的进一步优化与应用提供了借鉴方向.

关键词： 石墨烯; 碳纳米管; 等离子体增强化学气相沉积; 太阳能水蒸发

本文引用格式

孙庆磊 , 张琦 , 金延超 , 慈海娜 , 魏振文 , 何燕 . 石墨烯@碳纳米管异质结光热材料的构筑及太阳能蒸发性能研究[J]. 化学学报, 2026 , 84(3) : 333 -340 . DOI: 10.6023/A25110384

Abstract

With the rapid growth of the global economy and the continuous increase in population, freshwater scarcity has become an increasingly critical global challenge. Consequently, the development of efficient and sustainable water purification materials has attracted considerable research interest. Solar-driven interfacial evaporation technology has emerged as a promising approach for water treatment owing to its effective utilization of renewable solar energy, in which the rational design and fabrication of photothermal materials are of paramount importance. Carbon-based nanomaterials are widely recognized as promising next-generation photothermal materials due to their broadband light absorption, high photothermal conversion efficiency, excellent stability, and tunable structural characteristics. However, the photothermal performance of conventional carbon materials is often limited by insufficient light harvesting, restricted water transport, or slow thermal response. Therefore, constructing advanced carbon-based architectures with synergistic structural and functional characteristics remains a critical challenge. In this study, a graphene@carbon nanotubes (Gr@CNTs) hybrid photothermal material was rationally designed and fabricated by in situ growing Gr nanosheets on a CNT scaffold via plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). This hybrid architecture integrates the large specific surface area of two-dimensional Gr with the porous, interconnected framework of one-dimensional CNTs, forming a unique three-dimensional network structure with high surface area and microporosity. Under 3 Sun illumination (3 kW/m2), the surface temperature of the Gr@CNTs material rapidly increased to 138.8 °C within 30 s, indicating an ultrafast photothermal response. After alkaline treatment, a strongly hydrophilic free-standing Gr@CNTs film was obtained and subsequently integrated with a polyurethane sponge to construct a composite solar evaporator. The resulting system achieved a high water evaporation rate of 3.62 kg/(m2•h) and a photothermal conversion efficiency of up to 84.0%. Compared with pristine CNTs materials, the Gr@CNTs hybrid exhibits signifi- cantly enhanced photothermal performance, faster light-response behavior, and improved operational stability. This study provides valuable insights into the rational design of advanced carbon-based photothermal materials and offers a promising strategy for efficient solar-driven evaporation and sustainable water purification applications.

Key words： graphene; carbon nanotubes; plasma enhanced chemical vapor deposition; solar vapor generation

1 引言

太阳能作为目前已知储量最丰富的可再生能源之一, 不仅总量巨大、清洁无污染, 且易于获取, 在能源转型中占据重要地位. 目前地球轨道上的平均太阳辐射强度为1369 W/m2, 地球每秒获得的能量高达173000 TJ, 相当于燃烧500万吨媒所产生的能量[1], 因此太阳能被广泛应用在海水淡化[2]、光伏电池[3]和太阳能发电厂[4]等领域. 然而, 受太阳能固有的间歇性、不稳定性等因素制约, 其实际利用率仍处于较低水平. 太阳能界面水蒸发技术[5-9]作为一种绿色清洁、简单高效的水处理方法, 它可以在空气-水界面收集太阳光并局部化以减少太阳光损失, 同时所产生的蒸汽也被有效限制在特定区域, 在该区域内大量生成后, 可转化为清洁的冷凝水. 此项技术已然成为当前高效利用与转化太阳能, 应对能源危机、缓解环境污染最有效途径之一.
太阳能界面水蒸发技术最核心的问题在于如何选择合适的光热转化材料, 以实现对太阳能的高效吸收与利用. 碳基复合材料具有宽光谱吸收、高效转化、稳定耐用及可设计性等优异的光热特性, 其高导热特性可以吸收周围大量热量, 其独特的纳米结构, 又可以将热量局限在纳米区域, 有望实现高效的太阳能水蒸发. 然而, 其制备工艺复杂、制备成本高、结晶质量以及亲水性差等问题, 严重阻碍了实际应用进程[10-12].
基于此, 我们采用等离子体增强化学气相沉积技术(Plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)在碳纳米管(Carbon nanotubes, CNTs)上原位生长石墨烯(Graphene, Gr)纳米片, 借助PECVD方法可以实现石墨烯在更低的生长温度, 以更快的生长速度制备合成, 实现石墨烯与碳纳米管的三维杂化, 从而得到一种新型Gr@CNTs异质结材料. 该材料结合了Gr二维材料比表面积大的特性与CNTs一维多孔结构的优势, 构建了一种三维网状结构, 具有更大的比表面积和更多样复杂的纳米孔隙结构, 同时, Gr和CNTs之间通过sp2碳键紧密结合, 具有更加优异的稳定性, 为高效光吸收能力提供了可靠保障. 在干燥和蒸发状态下分别对其进行了不同强度的光照实验, 相比于CNTs材料, 该新型Gr@CNTs异质结材料表面稳定温度高, 展现出更优异的光热转化能力和独特的快速光响应特性. 对材料进行碱化处理后, 其亲水性得到显著提升, 从而有效促进了水分子的高效传输. 在太阳能水蒸发实验中, 当光照强度为3 Sun (3 kW/m2)时, 水蒸发速率可达3.62 kg/(m2•h), 光热转化效率高达84.0%.

2 结果与讨论

2.1 Gr@CNTs的制备与表征

如图1a所示, 为Gr@CNTs薄膜的制备流程图. 首先利用PECVD技术制备得到Gr@CNTs异质结材料, 随后进行真空抽滤获得Gr@CNTs自支撑薄膜, 其实物光学照片如图S1 (支持信息). 由图1a插图中可看出经过真空抽滤得到的Gr@CNTs薄膜表面呈现深黑色, 具有一定的柔韧性. 图1b和1c为Gr@CNTs的SEM微观图像, 图S2(支持信息)为CNTs的SEM微观图像. 通过对比, 可以看到Gr@CNTs异质结整体以细长弯曲的CNTs为主, 管外壁生长出具有垂直取向的Gr纳米片, CNTs与Gr纳米片相互交联、卷曲, 使得管外壁显得较为粗糙. 图1e和1f为TEM下Gr@CNTs的微观图像, Gr@CNTs中的CNTs以多壁弯曲CNTs为主, 在图1f中可以清晰看见蜂窝状的由Gr结构组成的纳米片.
图1 (a) Gr@CNTs薄膜的制备流程图; (b), (c) Gr@CNTs异质结材料的SEM图像; (d) CNTs和Gr@CNTs拉曼图谱; (e), (f) Gr@CNTs异质结材料的TEM图像; (g) Gr@CNTs异质结薄膜在波长250~1100 nm范围内的透过率; (h) CNTs的N2吸脱附曲线; (i) Gr@CNTs的N2吸脱附曲线; (j) CNTs和Gr@CNTs的孔径分布

Figure 1 (a) Preparation process of Gr@CNTs film. (b), (c) SEM image of Gr@CNTs heterostructure. (d) Raman spectra of CNTs and Gr@CNTs. (e), (f) TEM image of Gr@CNTs heterostructure. (g) Transmittance of Gr@CNTs heterostructure film in the wavelength range of 250~1100 nm. (h) N2 adsorption/desorption isotherm of CNTs. (i) N2 adsorption/desorption isotherm of Gr@CNTs. (j) Pore size distribution of CNTs and Gr@CNTs

随后对CNTs材料和Gr@CNTs异质结材料进行了拉曼测试, 由图1d中拉曼测试结果可以看出, CNTs材料和Gr@CNTs异质结材料显示出三个特征峰: 1350cm－1 (D峰)、1580 cm－1 (G峰)和2700 cm－1 (2D峰), CNTs和Gr@CNTs的ID/IG比分别为1.01和0.81, I2D/IG比分别为0.24和0.59, 生长Gr纳米片后ID/IG的下降表明Gr的生长弥补了原来部分CNTs由晶格畸变等引起的固有缺陷; I2D/IG比的上升, 表明Gr@CNTs的结晶度有所提高, 异质结构中存在更多的sp2碳键. 在Gr@CNTs中, 细长弯曲的CNTs与管外壁的Gr纳米片通过sp2碳键结合[13]. 图1g为Gr@CNTs薄膜在紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)波长范围内光透过率测试结果. 其光透过率在250~1100 nm之间为0%, 吸光度为100%, 可见深黑色的Gr@CNTs薄膜可吸收几乎全部波长范围的太阳光, 具有优异的光吸收性能. 对CNTs和Gr@CNTs两种材料的比表面积和孔径进行了分析. 图1h和1i为CNTs和Gr@CNTs两种材料的N2吸附/脱附等温曲线, 根据BET方程得到CNTs比表面积为138.8 m2/g, Gr@CNTs的比表面积为178.2 m2/g, 利用BJH法模型绘制了CNTs和Gr@CNTs的孔径分布如图1j, CNTs平均孔径为17.56 nm, Gr@CNTs平均孔径为18.75 nm, Gr@CNTs整体孔尺寸大于CNTs孔尺寸, 且主要以微孔和介孔为主. Gr@CNTs具有更大的比表面积和更大的孔径, 当太阳光照射时, 其大比表面积可以吸收更多的太阳光以利用, 较大的孔径和粗糙的外壁可以使太阳光在材料内部进行多次折射, 降低反射率和透射率, 从而达到高效的光耦合, 因此Gr@CNTs展现出更加优异的光吸收能力[14-16].

2.2 Gr@CNTs自支撑膜光热转化性能研究

随后对CNTs和Gr@CNTs薄膜进行光热转化性能研究. 将两种材料薄膜置于氙灯光源下, 调节氙灯光源的功率, 使薄膜分别在1 Sun、2 Sun和3 Sun模拟太阳光照下进行照射, 使用手持式红外热成像仪监测薄膜表面温度变化. 图2a~2d分别为CNTs薄膜和Gr@CNTs薄膜在干燥状态下30和60 s时不同光照强度下薄膜表面温度图像(室温20 ℃左右), 对比可以看出在不同时刻不同光照强度下, Gr@CNTs薄膜较CNTs薄膜均有大幅度的温度提升, 其表面稳定温度居目前已报道碳基材料的前列, 表明Gr@CNTs在碳基材料中具有非常优异的光热转化性能. 随后图2e和2f展示了在不同光照强度下CNTs薄膜和Gr@CNTs薄膜温度随时间的响应特性曲线, 两种材料从常温升到稳定温度仅需0.5 min左右, 而Gr@CNTs达到比CNTs更高的稳定温度, 之后达到接近光热和热耗散平衡, 可见, Gr@CNTs具有快速的光响应特性[17].
图2 (a) CNTs薄膜在干燥状态下1 Sun、2 Sun和3 Sun光照30 s时红外热成像图; (b) CNTs薄膜在干燥状态下1 Sun、2 Sun和3 Sun光照60 s时红外热成像图; (c) Gr@CNTs异质结薄膜在干燥状态下1 Sun、2 Sun和3 Sun光照30 s时红外热成像图; (d) Gr@CNTs异质结薄膜在干燥状态下1 Sun、2 Sun和3 Sun光照60 s时红外热成像图; (e) CNTs薄膜单独光照下在1 Sun、2 Sun和3 Sun表面温度随时间变化图像; (f) Gr@CNTs薄膜单独光照下在1 Sun、2 Sun和3 Sun表面温度随时间变化图像

Figure 2 (a) Infrared thermal images of CNTs film under 1 Sun, 2 Sun, and 3 Sun illumination for 30 s in a dry state. (b) Infrared thermal images of CNTs film under 1 Sun, 2 Sun, and 3 Sun illumination for 60 s in a dry state. (c) Infrared thermal images of Gr@CNTs film under 1 Sun, 2 Sun, and 3 Sun illumination for 30 s in a dry state. (d) Infrared thermal images of Gr@CNTs film under 1 Sun, 2 Sun, and 3 Sun illumination for 60 s in a dry state. (e) Surface temperature change images of CNTs film under individual illumination at 1 Sun, 2 Sun, and 3 Sun over time. (f) Surface temperature change images of Gr@CNTs film under individual illumination at 1 Sun, 2 Sun, and 3 Sun over time

为了能更加完整地表现Gr@CNTs优异的光热转化性能, 将CNTs薄膜和Gr@CNTs薄膜放置于装满水的烧杯上, 薄膜均可自漂浮在液面以上, 且薄膜表面均不润湿, 均具有较强的疏水性. 随后置于氙灯光源下再次进行光照, 记录薄膜在水蒸发状态下表面温度变化的图像. 如图3a和3b是CNTs薄膜在水蒸发状态下其表面在初始和稳定状态下表面温度图像, 在1 Sun、2 Sun和3 Sun不同光照强度下其表面稳定温度分别为36.5, 50.8和55.2 ℃, 图3c和3d为Gr@CNTs薄膜在不同光照强度下表面温度变化图像, 其在1 Sun、2 Sun和3 Sun不同光照强度下其表面稳定温度分别为43.6, 53.8和56.0 ℃. 结合图4可以看出, 不论是在哪个光照强度下Gr@CNTs比CNTs都具有更高的稳定蒸发温度, 在相同条件下, 高的稳定蒸发温度有助于提高水蒸发速率, 表明Gr@CNTs的光热转化性能更加优异[18].
图3 (a) CNTs薄膜在蒸发状态1 Sun、2 Sun和3 Sun光照初始时红外热成像图; (b) CNTs薄膜在蒸发状态1 Sun、2 Sun和3 Sun光照稳定时红外热成像图; (c) Gr@CNTs薄膜在蒸发状态1 Sun、2 Sun和3 Sun光照初始时红外热成像图; (d) Gr@CNTs薄膜在蒸发状态1 Sun、2 Sun和3 Sun光照稳定时红外热成像图

Figure 3 (a) Infrared thermal images of CNTs film at the initial stage of illumination under 1 Sun, 2 Sun, and 3 Sun during evaporation. (b) Infrared thermal images of CNTs film under 1 Sun, 2 Sun, and 3 Sun illumination at stable state during evaporation. (c) Infrared thermal images of Gr@CNTs film at the initial stage of illumination under 1 Sun, 2 Sun, and 3 Sun during evaporation. (d) Infrared thermal images of Gr@CNTs film under 1 Sun, 2 Sun, and 3 Sun illumination at stable state during evaporation

图4 CNTs和Gr@CNTs薄膜蒸发状态下在1 Sun、2 Sun和3 Sun表面温度随时间变化图像

Figure 4 Comparison of surface stable temperatures of CNTs and Gr@CNTs films under evaporation conditions at 1 Sun, 2 Sun, and 3 Sun

2.3 Gr@CNTs自支撑膜功能化改性与蒸发器组装

将得到的Gr@CNTs薄膜进行水接触角测试, 测试结果如图5a所示, 可以看到, 在改性之前水滴的接触角为127.1°, Gr@CNTs薄膜表现出超强的疏水性. 由于其强疏水性特性, 会影响水滴/水分子与材料薄膜之间的接触面积, 降低热传导效率和水输运能力, 从而导致蒸发器的水蒸发速率下降. 因此, 对Gr@CNTs薄膜进行功能化改性和优化设计, 采用10 mol/L的KOH溶液对Gr@CNTs薄膜进行碱化处理, 将Gr@CNTs薄膜放入配好的KOH溶液中, 在完全浸入碱溶液1 h后, 将其取出并晾干表面残留溶液, 随后再进行水接触角测试, 水滴的接触角为45.7°. Gr@CNTs其微观虽为规则的非极性六边形结构, 但在结构的边缘存在缺陷和一些含氧官能团, 由图S5 (支持信息) Gr@CNTs的红外光谱图可以看出. 对其碱化处理会产生极性且带负电的离子型官能团, 与中和之前的官能团相比, 离子型官能团具有极强的水和能力, 与水分子形成强大的氢键和离子-偶极相互作用, 在宏观上表现为优异的亲水性. 其亲水性可以极大程度增加水滴/水分子与薄膜之间的接触面积, 有利于水分的输运, 保证其固有的水蒸发速率不受影响.
图5 (a) Gr@CNTs薄膜亲水改性之前与改性之后水接触角示意; (b) Gr@CNTs薄膜亲水改性后与聚氨酯海绵粘合组成结构光学照片

Figure 5 (a) The water contact angles before and after hydrophilic modification of Gr@CNTs film; (b) The photograph of the composite structure formed by bonding Gr@CNTs film with PU sponge after hydrophilic modification

在薄膜改性之后, 将其放置于水面之上, 发现其会沉入液面以下. 针对此问题作者选用聚氨酯海绵作为基底材料, 聚氨酯海绵具有垂直排列的微通道, 有利于水分输运, 通过毛细作用将水分抽吸到Gr@CNTs薄膜表面进行蒸发, 同时能够作为基底材料漂浮在水面上, 可以支撑上层Gr@CNTs薄膜等光热材料, 并且, 聚氨酯海绵的热导率低, 可以减少传热过程中的热量损失, 尽可能保证热量全部用于水蒸发[18]. 因此将碱化处理后的Gr@CNTs薄膜与聚氨酯海绵通过双面胶粘合在一起, 组成蒸发器, 如图5b为其结构组成光学照片.

2.4 Gr@CNTs蒸发器水蒸发性能研究

对CNTs和Gr@CNTs的太阳能-蒸汽转化性能进行了实验验证. 设计了如图6a所示的太阳能-蒸汽转化性能评估装置, 实物装置图如图S3(支持信息). 将CNTs薄膜和Gr@CNTs蒸发器分别放置于烧杯液面以上, 整体放置于精细电子天平上, 连接电脑, 实时显示其质量变化; 在蒸发器正上方放置氙灯光源系统, 模拟不同光照强度的太阳光照射, 侧上方放置有红外热成像仪记录蒸发器表面温度变化. 图6b和6c分别为CNTs薄膜和Gr@CNTs蒸发器在不同光照强度下水蒸发质量随时间变化的曲线, 由曲线可清晰看出, 在1 Sun、2 Sun和3 Sun不同光照强度下, Gr@CNTs蒸发器单位面积质量损失比CNTs薄膜单位面积质量损失要大得多, 相当于具有更高的蒸发速率. 随后测量了Gr@CNTs薄膜的直径尺寸如图S4(支持信息)所示, CNTs薄膜直径尺寸与Gr@CNTs薄膜的相同, 利用此数据进行定量估计CNTs薄膜和Gr@CNTs蒸发器的水蒸发性能. 水蒸发速率的计算公式如下:
$v=m_{\text {loss }} /(A t)$
图6 (a)太阳能-蒸汽转化性能评估实验装置图; (b) CNTs薄膜在不同光照强度下水蒸发质量随时间变化图; (c) Gr@CNTs蒸发器在不同光照强度下水蒸发质量随时间变化图; (d) CNTs薄膜和Gr@CNTs蒸发器在不同光照强度下水蒸发速率对比图; (e) CNTs薄膜和Gr@CNTs蒸发器在不同光照强度下水蒸发效率图; (f) Gr@CNTs蒸发器在3.5% NaCl溶液中水蒸发质量随时间变化图

Figure 6 (a) The experimental setup for evaluating solar-thermal photothermal conversion performance. (b) Graph of water evaporation mass versus time for CNTs film under different light intensities. (c) Graph of water evaporation mass versus time for Gr@CNTs film under different light intensities. (d) Comparison of water evaporation rates between CNTs film and Gr@CNTs evaporator under different light intensities. (e) Water evaporation efficiency diagram of CNTs film and Gr@CNTs evaporator under different light intensities. (f) Variation diagram of water evaporation mass with time for Gr@CNTs evaporator in 3.5% NaCl solution.

CNTs的有较大程度提高, 这是因为与CNTs相比, Gr@CNTs引入了Gr, Gr纳米片与CNTs通过sp2碳键结合, 形成了相互交联、堆叠、卷曲的三维网状结构, 有效增加了内部微孔的数量; 采用聚氨酯海绵, 形成了更加丰富的水输运通道; 通过碱化处理, 亲水性基团数量增加, 从而使薄膜与水分子接触面积增加. 随后以水蒸发效率来评价两种材料的光热转化效率, 水蒸发效率通过水蒸发的功率(Qe)和入射光照的功率(Qs)的比值进行计算, 公式如下:
$\eta=Q_{\mathrm{e}} / Q_{\mathrm{s}}$
其中Qe和Qs按如下公式计算:
$Q_{\mathrm{s}}=C_{\mathrm{opt}} I$
$Q_{\mathrm{e}}=v\left(Q+H_{\mathrm{LV}}\right)$
$Q=c\left(T_{1}-T_{0}\right)$
(3)式中Copt表示光学浓度, I表示光功率密度. 1光学浓度表示1个太阳(1 Sun)的光照强度(1 kW/m2). (4)式中Q为显热量, 可通过(5)式进行计算, (5)式中c为水的比热容(4.2 J/(g•K)), T0为蒸发水的初始温度, T1为在蒸发状态下蒸发器的稳定温度. (4)式中HLV为水蒸发时的潜热, HLV可以通过在某一温度下水在蒸发时液相和气相之间的焓差进行计算[19-21]. 图6e为1 Sun、2 Sun和3 Sun不同光照强度下CNTs和Gr@CNTs的水蒸发效率, 与CNTs相比, Gr@CNTs的蒸发效率均有较大提高, 并且在3 Sun光照强度下具有最佳的水蒸发性能, 其水蒸发速率和光热转化效率分别为3.62 kg/(m2•h)和84.0%[22-32], 显著优于目前报道的太阳能水蒸发光热材料(支持信息, 表S1). 支持信息, 图S6为经过长时间循环光照测试的Gr@CNTs薄膜SEM图像, 其微观结构与测试前材料结构保持一致, 具备长时间的循环稳定性. 进一步在3.5%的盐水中进行了Gr@CNTs的蒸发测试实验, 在1 Sun下其水蒸发质量随时间变化如图6f, 水蒸发速率为1.19 kg/(m2•h), 光热转化效率为82.8%, 在盐水中依旧能够保持较好的蒸发性能.

3 结论

本文通过PECVD技术在CNTs基体上原位生长Gr纳米片, 构筑了一种新型三维Gr@CNTs异质结材料. 该材料兼具高比表面积、大孔径和优异的结构稳定性. 采用真空抽滤法制备的Gr@CNTs自支撑薄膜表现出卓越的光吸收能力和快速光热响应特性, 在光照0.5 min内即可达到稳定温度138.8 ℃. 经碱化处理后, 薄膜表面表现出良好的亲水性, 配合聚氨酯海绵基底的支撑作用, 显著提升了水输运性能. 在1 Sun光照强度下, 薄膜的水蒸发速率为1.12 kg/(m2•h); 在3 Sun条件下, 蒸发效率高达84.0%. 上述结果表明, 所制备的Gr@CNTs异质结薄膜兼具优异的光热转化性能和稳定的蒸发行为, 为高效太阳能光热蒸发材料的设计与应用提供了新的思路.

4 实验部分

4.1 CNTs和Gr@CNTs异质结材料的制备

(1) CNTs材料制备步骤如下: 将一定质量的催化剂放置在石英载舟中, 将石英载舟放于管式炉中, 打开加热控制装置将反应炉内温度升温至900 ℃, 通入40 cm3•min－1 H2和80 cm3•min－1 Ar退火15 min, 之后将温度降至650 ℃, 待温度稳定后通入40 cm3•min－1 C3H6生长30 min, 得到CNTs材料.
(2) Gr@CNTs异质结材料制备步骤如下: 首先称取一定质量制备好的CNTs材料, 作为生长基底放入反应管式炉内, 抽真空至10 Pa以下, 将炉腔温度升高至600 ℃, 通入10 cm3•min－1 CH4作为碳源, 开启射频等离子仪, 功率为80 W、反应时间设定为30 min, 反应完成后得到Gr@CNTs异质结材料.

4.2 CNTs和Gr@CNTs自支撑薄膜的制备

CNTs自支撑薄膜采用简单的真空抽滤法制备. 首先, 称取一定量的CNTs与丙二酸(质量比为1∶20), 将其溶解于无水乙醇中, 随后搅拌、超声使材料均匀分布. 将获得的CNTs溶液进行真空抽滤, 转移至真空烘箱真空干燥120 min. 待干燥结束后, 滤纸上的薄膜会从滤膜上剥离, 由此成功制得CNTs自支撑薄膜.
Gr@CNTs自支撑薄膜的制备过程同CNTs.
(Lu, Y.)

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
Hua M.; Zhang L.; Fan L. W.; Lv Y.; Lu H.; Yu Z. T.; Cen K. F. Energy Convers. Manage. 2015, 91, 101.

DOI

[2]
Chandrashekara M.; Yadav A. Renew. Sust. Energy Rev. 2017, 67, 1308.

DOI

[3]
Ye L.; Jiao X. C.; Zhou M.; Zhang S. Q.; Yao H. F.; Zhao W. C.; Xia A. D.; Ade H.; Hou J. H. Adv. Mater. 2015, 27, 6046.

DOI

[4]
Khan J.; Arsalan M. H. Renew. Sust. Energy Rev. 2016, 55, 414.

DOI

[5]
Ivan M. N. A. S.; Saha S.; Saleque A. M.; Ahmed S.; Thakur A. K.; Bai G. X.; Miao Z.; Saidur R.; Tsang Y. H. Nano Energy 2024, 120, 109176.

DOI

[6]
Haddeland I.; Heinke J.; Biemans H.; Eisner S.; Flörke M.; Hanasaki N.; Konzmann M.; Ludwig F.; Masaki Y.; Schewe J.; Stacke T.; Tessler Z. D.; Wada Y.; Wisser D. Proc. Natl. Acad. Sci. 2014, 111, 3251.

DOI

[7]
Tao F. J.; Green M.; Garcia A. V.; Xiao T.; Tran A. T. V.; Zhang Y. L.; Yin Y. S.; Chen X. B. Appl. Mater. Today 2019, 17, 45.

[8]
Zhu L. L.; Gao M. M.; Peh C. K. N.; Ho G. W. Mater. Horiz. 2018, 5, 323.

DOI

[9]
Shang W.; Deng T. Nat. Energy 2016, 1, 16133.

DOI

[10]
Neumann O.; Urban A. S.; Day J.; Lal S.; Nordlander P.; Halas N. J. ACS Nano 2013, 7, 42.

DOI PMID

[11]
Jing X. X.; Wang W. D.; Mo H. S.; Tan P.; Chen Z. G.; Wu Z. Y.; Sun L. B. Chinese J. Inorg. Chem. 2024, 40, 1033 (in Chinese).

DOI

(景欣欣, 王伟铎, 莫何苏, 谈朋, 陈志刚, 吴正颖, 孙林兵, 无机化学学报, 2024, 40, 1033.)

[12]
Yang D.; Shi X. F.; Zhang J. J.; Bu X. H. Acta Chim. Sinica 2023, 81, 1052 (in Chinese).

DOI

(杨地, 史潇凡, 张冀杰, 卜显和, 化学学报, 2023, 81, 1052.)

DOI

[13]
Hao C. X.; Li M.; Yang J. H.; Wang X. D.; Xia Y. H.; Chu C. Q.; Liu Z. M.; He Y.; Ci H. N. Small Methods 2025, 9, 2401101.

DOI

[14]
Mu P.; Zhang Z.; Bai W.; He J. X.; Sun H. X.; Zhu Z. Q.; Liang W. D.; Li A. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1802158.

DOI

[15]
Wang Y. C.; Wang C. Z.; Song X. J.; Suresh K. M.; Jiang H. Q. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 963.

DOI

[16]
Qi S.; Jia T.; Zhang Y. Y.; Zhao Y. J.; Xing Y. T.; Zhang M.; Wang F.; Chen C. X.; Wong W. Y. Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2503234.

DOI

[17]
Hu A. W.; Zhao Y.; Hu Q.; Chen C. H.; Lu X.; Cui S. L.; Liu B. Nat. Commun. 2024, 15, 9484.

DOI

[18]
Wang S.; Niu Y.; Yan L. J.; Chan W. J.; Zhu Z. Q.; Sun H. X.; Li J. Y.; Liang W. D.; Li A. Compos. Sci. Technol. 2022, 228, 109683.

DOI

[19]
Ren H. Y.; Tang M.; Guan B. L.; Wang K. X.; Yang J. W.; Wang F. Y.; Wang M. Z.; Shan J. Y.; Chen Z. L.; Wei D.; Peng H. L.; Liu Z. F. Adv. Mater. 2017, 29, 1702590.

DOI

[20]
Zhang P. P.; Li J.; Lv L. X.; Zhao Y.; Qu L. T. ACS Nano 2017, 11, 5087.

DOI

[21]
Storer D. P.; Phelps J. L.; Wu X.; Owens G.; Khan N. I.; Xu H. L. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 15279.

DOI

[22]
Joo B. S.; Lee W. Y.; Lee S.; Kim J. H.; Kang J.; Ko H.; Kang G. M. Chem. Eng. J. 2025, 505, 159733.

DOI

[23]
Fan Z. F.; Liu J.; Liu H. J.; Liu L. J.; She Y.; Wen X. Y.; Wang H. Y.; Hu G. X.; Niu R.; Gong J. J. Energy Chem. 2024, 94, 527.

DOI

[24]
Cheng C.; Fang J. W.; Chai Y. Q.; Yuan R.; Liu H. Y. Chem. Eng. J. 2024, 498, 155665.

DOI

[25]
Xi S. B.; Wang M.; Wang L. L.; Xie H. Q.; Yu W. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2021, 226, 111068.

DOI

[26]
Wang W. T.; Geng W. W.; Guo X. L.; Wang K. H.; Yao Y. Y.; Ding L. M. Acta Chim. Sinica 2023, 81, 595 (in Chinese).

DOI

(王文涛, 耿伟纬, 郭小龙, 王康辉, 姚玉元, 丁黎明, 化学学报, 2023, 81, 595.)

DOI

[27]
Chen Y. B.; Zheng D. X.; Wang N.; Liu J. S.; Yu F. Y.; Wu S. J.; Liu S. Z.; Li Z. P. Acta Chim. Sinica 2024, 82, 987 (in Chinese).

DOI

(陈宇波, 郑德旭, 王楠, 刘吉双, 于凤阳, 吴飒建, 刘生忠, 李志鹏, 化学学报, 2024, 82, 987.)

DOI

[28]
Liu M. T.; Zhu P. P.; Lai S. T.; Zhang X. G.; Fu Y.; Xue L.; Liu D.; Feng K.; Lu X. H.; Guo X. G.; Liao X. F.; Chen Y. W. Chin. J. Chem. 2025, 43, 13.

DOI

[29]
Li X. R.; Zhu J.; Cao L. Y.; Zhang H. Y.; Du X. Y.; Lin H.; Zheng C. J.; Tao S. L. Chin. J. Chem. 2025, 43, 2433.

DOI

[30]
Zhao Z. X.; Li J. Q.; Wang F.; Tan P. X.; Wang L.; Wang B.; Jin J. J.; Wang X. X.; Zhang W. H.; Wang C. B. J. Energy Chem. 2025, 104, 540.

DOI

[31]
Yang H.; Wang X.; Li S. H.; Zhao B.; Liu C.; Li D.; Liang Z. Q.; Abdulhalim I.; Peng M. W.; Sun Y. H.; Jiang L. Adv. Funct. Mater. 2025, e20083.

[32]
Wang L.; Wu D. C.; Zhu X. C.; Huang S. H.; Gu N.; Geng W. P.; Fan X. Q.; Shakir I.; Xu Y. X.; Sun Y. Y. Adv. Funct. Mater. 2025, e28068.

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