太阳能驱动的界面蒸发技术因其绿色和可持续的海水淡化过程而被视为解决全球淡水短缺问题的一项前景广阔的战略。石墨烯气凝胶（GA）具有出色的光热转换效率和宽光谱吸收能力，因此被广泛应用于太阳能驱动蒸汽发生系统的设计中。鉴于亲水性和隔热性对蒸发器性能的重大影响，在石墨烯结构中掺氮不仅能有效增强其润湿性，还能适度调节其热导率，从而优化蒸发器的整体性能。因此，
本文，东北林业大学张兴丽副教授团队在《Lan
gmuir》期刊
发表名为“
Nitrogen-Doped Graphene Aerogel toward Efficient Solar Steam Generation: Synergistic Effects of Thermal Conductivity and Wettability
”的论文，
研究
使用氧化石墨烯（GO）和乙
二胺，通过一步水热法制备了氮掺杂石墨烯气凝胶（NGA）。
实验研究和分子动力学（MD）模拟探讨了不同氮掺杂浓度对 NGA 热导率和润湿性的影响。
结果表明，随着氮掺杂浓度的增加，气凝胶的润湿性增强，而热导率则先下降后上升。
造成这种现象的原因是，润湿性的提高会阻碍热对流，从而降低传热效率。
然而，润湿性的进一步提高会降低固液界面热阻，从而提高传热性能。
因此，采用了最佳氮掺杂浓度的 NGA-2 展示出了卓越的蒸发性能，在单太阳照射下实现了 1.64 kg m-2 h-1 的高蒸发率和 92.2% 的出色蒸发效率。
这项研究强调了太阳能蒸发器通过传热和传质的协同效应提高了性能，凸显了其在海水淡化应用中的巨大潜力。
图1.NGA制备工艺流程图。
图2.（a） 氮掺杂石墨烯片。（b） 氮掺杂石墨烯气凝胶构建过程阶段的示意图。
图3.NGA 的特征。
图4.GA 和 NGA 的润湿性能。
图5.不同氮掺杂浓度的石墨烯片的润湿性。
图6.不同氮掺杂浓度下石墨烯的热导率与接触角的关系曲线。
综上所述，本研究报告了氮掺杂石墨烯气凝胶（NGA）。整个制备过程简单且成本低廉。合成的NGA-2具有优异的亲水性、低导热性、高光吸收和光热转换性能，因此在太阳光照射下的蒸发率达到 1.64 kg m-2 h-1 和 92.2% 的蒸发效率。此外，在连续 24 小时的水蒸发循环过程中，它还能保持稳定的蒸发性能。此外，还进行了 MD 模拟，研究氮掺杂浓度对导热性和润湿性的影响，以解释 NGA-2 优异蒸发性能的原因。在热导率模拟方面，结果表明 NGA-2 具有出色的低热导率。我们将不同氮掺杂浓度下热导率的降低归因于声子散射，而随后的升高则是由于传热模式的改变，我们从声子的角度解释了这一点。在润湿性模拟方面，结果表明润湿性随着氮掺杂浓度的增加而提高，我们假设水分子通过分子间氢键优先吸附在氮掺杂的活性位点上，从而增强了石墨烯的亲水性。总之，这项工作为未来的海水淡化研究奠定了良好的基础。
文献：
https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.4c04742
