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

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：