太阳能海水淡化作为一种可持续利用水资源的方式，在解决淡水资源不足、缓解水资源短缺问题方面具有巨大潜力。然而，传统的海水淡化技术往往存在能耗高、设备复杂、成本高等问题。
近年来，基于纳米材料的新型海水淡化涂层技术逐渐引起研究者的关注，其中氧化石墨烯还原石墨烯作为一种新型二维材料，在太阳能海水淡化领域展现出巨大的潜力。
与传统海水淡化涂层材料相比，rGO具有导电性优异、比表面积高、化学稳定性好等优点，有望提高海水淡化效率、降低能耗。
然而，还原氧化石墨烯（rGO）本身存在团聚和沉积问题，这会降低其活性和稳定性。因此，将rGO固定在泡沫材料上，形成三聚氰胺泡沫/rGO复合涂层，已成为提高海水淡化效率和稳定性的有效途径。
通过表面改性和强化泡沫材料的载体性能，将rGO均匀地固定在泡沫表面，增加其与水中盐离子的接触面积，同时控制rGO涂层的结构和厚度，以优化脱盐效率和稳定性。
为了更深入地了解海水淡化机理，我们还制备了还原氧化石墨烯（rGO）泡沫。三氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫具有固有的多孔微结构和亲水性，使其具有良好的润湿性，能够将水吸引到蒸发区域，从而快速补充水分，同时避免盐分沉淀。
氧化石墨烯包覆三聚氰胺泡沫的界面蒸发体系在89.6kW·m−1太阳能燃料下可达到2%的稳态蒸发效率，具有较高的光热转换效率和良好的长期稳定性，展现出商业化海水淡化的潜力。
当前，全球性的能源危机和水资源短缺已成为人类社会可持续发展的重大威胁，为满足日益增长的能源需求，开发各种高性能能源转换和水净化技术越来越受到人们的重视。
太阳能界面蒸发技术
太阳能作为一种极具前景的可再生能源，因其超大容量、普遍性、清洁性以及多功能转换能力，已经展现出替代化石燃料的潜力。
太阳能光伏技术除了直接产生电能外，光热转换技术还可以吸收太阳能并将其转化为热能，被认为是一种简单有效的太阳能利用方式。
太阳能转化的热能可以驱动重要的工业过程，例如太阳能热电站、太阳能海水淡化、消毒、太阳能热水系统以及其他与热相关的应用。太阳能海水淡化是一种有效的解决方案，尤其适用于缺乏基础设施的地区，因为它无需额外能源投入即可从海水中提取淡水。
近年来，太阳能驱动的界面蒸发技术将光热转换过程定位在液-气界面，已成为一种新兴的太阳能利用技术。与传统的整体加热相比，界面蒸发系统具有更高的蒸发效率和更快的热响应速度，是海水淡化的潜在替代方案。
到目前为止，已经开展了许多关于提高界面蒸发系统热性能的研究。典型的太阳能驱动界面蒸发系统由三个重要部分组成：
一种具有高太阳能吸收率并能高效地将太阳辐射转换成热能的太阳能吸收器；一种将转换后的热量传递给本体水的绝缘体；以及一种将水从本体水不断抽到太阳能吸收器表面的供水路径。
在之前的研究中，大量研究人员致力于通过合成宽带和太阳能吸收材料、优化新的供水路径设计以及改进隔热结构来提高整体太阳能到蒸汽的转换效率。
目前，太阳能驱动的界面蒸发系统已应用于许多工业过程，包括诱导太阳能蒸馏、太阳能灭菌、太阳能海水淡化和太阳能发电。为了实现系统的高效蒸发性能，探索太阳能吸收材料在整个太阳光谱范围内的宽带吸收性能至关重要。
在太阳能驱动界面蒸发系统中开发和探索的太阳能吸收材料主要包括碳质材料、等离子体粒子和光谱选择性吸收材料。其中，天然黑和碳质材料具有较强的太阳热转换能力，适用于宽带和高强度的太阳能吸收器。
由于其较高的太阳能吸收率、较低的成本和良好的稳定性，许多碳基太阳能吸收材料已被研究，包括碳纳米管、石墨和还原氧化石墨烯。经过多年的发展，该系统在日光下的太阳能到蒸汽的转换效率已达到90%以上。
尽管在开发太阳能吸收材料和设计界面蒸发结构方面取得了很大进展，但之前报道的大多数太阳能海水淡化装置都是由于海水淡化过程中蒸发器顶部表面的盐分积聚造成的。积聚的盐分阻碍了太阳能吸收，并堵塞了多孔蒸发器，导致太阳能热转换效率低下和蒸发性能不佳。
传统的去除积盐一般采用超声波、水浸等物理方法，但这些方法容易对界面蒸发结构造成破坏。
为了减少界面蒸发系统中盐的积累，许多研究集中于开发疏水蒸发。然而，疏水蒸发器限制了顶部表面的供水，从而降低了系统的蒸发性能。解决这个问题的另一种方法是使用亲水蒸发器，将多余的盐从顶部表面转移到本体水中。
迄今为止，许多研究集中于亲水蒸发器的设计，例如亲水纤维素织物膜、纸基亲水膜和仿生蒸发器。但开发一个长期稳定、高效的太阳能驱动界面蒸发系统仍然是一项重大挑战。
在本研究中，我们展示了一种耐盐、高效太阳能吸收和快速热响应的还原氧化石墨烯 (rGO) 泡沫，用于低荧光太阳照射下太阳能驱动的界面脱盐。
在新多孔结构中，选择亲水性三聚氰胺泡沫（MF）作为基材，这不仅扩大了太阳能吸收的表面积，而且还增强了多重散射。
还原氧化石墨烯涂覆的三聚氰胺泡沫的表面亲水性和孔隙率可为太阳热转换区提供充分的润湿和融合，以及快速补充水分，同时避免盐分的积累。
利用还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫的高性能，太阳能界面系统能够实现 89.6% 的太阳能到蒸汽的转换率。
此外，我们将还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫与商用太阳能相结合，设计并制造了一种太阳能驱动的界面海水淡化装置，在日光下，其太阳能-水转换效率高达56.4%。由于采用太阳能淡化技术，收集到的清洁水可达到饮用水标准。
该太阳能驱动界面海水淡化系统凭借其优异的蒸发性能和太阳能热转换材料的可扩展性，在海水淡化的实际应用中展现出广阔的应用前景。
太阳能海水淡化传热材料的可扩展性
一种基于还原氧化石墨烯涂覆三聚氰胺泡沫的界面蒸发系统。氧化石墨烯涂覆三聚氰胺泡沫位于中间，外面包裹一层聚乙烯（PE）泡沫，构建自泡界面蒸发系统。
涂覆碲还原氧化石墨烯的三聚氰胺泡沫可用于快速吸收入射太阳辐射，将太阳能转化为热能，并产生界面蒸发的驱动力。另一方面，亲水性的还原氧化石墨烯涂覆的三聚氰胺泡沫可以将盐水持续吸入蒸发区。
三氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫的多孔结构使产生的蒸汽能够逸出到环境中，从而促进阳光的捕获，提高太阳能转化为热能的效率。还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫多孔且亲水性好，能够将水吸入上述蒸发结构，同时将浓缩盐分解回海水中。
在蒸发过程中，泡沫层的盐浓度高于底部海水的盐浓度。浓度的变化导致盐分分解到主体水中。此外，周围的聚乙烯泡沫不仅会减少氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫的体积，还会自然聚集在水面上，抑制周围盐水造成的热量损失。
界面蒸发系统无需复杂的结构设计，即可在水面上连续高效地运行。此外，由于蒸发发生在气液界面，因此当界面后退时，界面蒸发系统可以自主移动。
碲还原氧化石墨烯包覆三聚氰胺泡沫是界面蒸发体系的关键组成部分，将三聚氰胺泡沫浸入氧化石墨烯胶体悬浮液中制备还原氧化石墨烯包覆三聚氰胺泡沫，再采用水热法将氧化石墨烯还原为还原氧化石墨胺。
直径为3.5厘米、厚度为1.6厘米的还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫易于制造，颜色为深黑色。
利用三维光学显微镜观察还原氧化石墨烯包覆的三聚氰胺泡沫材料表面的粗糙度，发现其高度变化超过300μm。太阳能热转换复合材料表面粗糙结构主要归因于三聚氰胺泡沫的多孔结构，而改性还原氧化石墨烯也增加了表面粗糙度。
表面粗糙度增大了太阳光的吸收表面积，同时增加了入射太阳光的多次散射，从而提高了系统的太阳能热转换效率。制备的三聚氰胺泡沫在不同放大倍数下的微观结构。氧化石墨烯涂覆的三聚氰胺泡沫表面呈现出褶皱且相互连通的网络结构。
rGO包覆的三聚氰胺泡沫的孔径在20~40μm之间。开放的孔结构和褶皱表面有利于氧化石墨烯的沉积。由于多孔三聚氰胺泡沫的亲水性，还原氧化石墨烯包覆的三聚氰胺泡沫具有良好的水润湿性。
水滴一旦接触到还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫的表面，就会在0.5秒内被完全吸收。还原氧化石墨烯复合材料的亲水表面能够快速引导多孔结构内的排水。通过比较吸水前后的质量变化，可以确定还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫的孔隙率。
氧化石墨烯包覆的三聚氰胺泡沫的孔隙率可达85.55%。还原氧化石墨烯包覆的三聚氰胺泡沫对太阳能的吸收直接影响系统的光热转换效率。为了评估其耐盐性，将还原氧化石墨烯包覆的三聚氰胺泡沫置于3.5 wt%的氯化钠溶液中。
然后将3克固体氯化钠放在上表面，并将涂有Tergo的三聚氰胺泡沫置于1 kW m−2的太阳辐射密度下。120分钟后，固体盐逐渐溶解。
当阳光照射到rGO涂层三聚氰胺泡沫的顶面时，其温度会在几分钟内迅速升高，并在整个蒸发过程中保持在35°C。由于盐的溶解度取决于温度，温度越高，盐溶解得越快，因此盐中的铁可以重新溶解到表面水中。
还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫具有众多孔隙，吸水能力强，可以持续向表层供水。盐分可以从表层移动到下层水层。温度变化会导致上层蒸发面与身体之间的盐度变化。
为了获得宽带高效的太阳能吸收，采用多孔亲水性三聚氰胺泡沫改性三聚氰胺泡沫，从而增加太阳能吸收表面积并增加多次散射。
基于rGO涂层三聚氰胺泡沫的太阳能界面蒸发系统在1kWm−2的太阳能功率密度下表现出快速的热响应，实现了89.6%的稳态太阳能热转换效率。
最后，我们将还原氧化石墨烯涂层三聚氰胺泡沫蒸发器集成到太阳能蒸馏器中，在 56.4 kW m−1 时可产生 2% 的含盐饮用水。
我们设想这种太阳能界面海水淡化装置可用于孤岛或海洋，从丰富的海水或其他咸水资源中收集饮用水。
结语
rGO包覆三聚氰胺泡沫作为一种创新高效的太阳能海水淡化技术，具有巨大的潜力和应用前景，不仅可以为缺水地区提供可靠的淡水资源，还可以减少对传统能源的依赖，降低能源消耗和环境污染。
该研究成果将对解决全球淡水资源短缺问题、促进实现可持续发展做出重要贡献。
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