引言
如今，淡水短缺已成为全球发展面临的最严重问题之一。太阳能驱动非挥发性废水蒸发产生淡水是一项环境友好型技术。
因此，人们对利用太阳能通过光热蒸发处理海水、含重金属和抗生素废水等以实现废水资源化处理产生了极大的兴趣。
然而，一方面，水的吸光性差和严重的热损失，导致自然水蒸发效率低，无法满足淡水的实际需求。
另一方面，废水中存在许多污染物，如重金属离子和有机污染物等，给废水资源化处理带来了挑战。
针对以上问题，我们制备了双功能的石墨烯基光热材料，通过界面加热的方法进行界面水蒸发以产生清洁水。
同时，在界面水蒸发的过程中通过光催化或吸附等方法去除废水中的污染物。
本研究为石墨烯基光热材料的开发以及其在废水资源化处理中的应用提供了新的思路和理论基础。
太阳能驱动界面水蒸发技术概述
太阳能驱动界面水蒸发技术的定义
太阳能驱动界面水蒸发技术是太阳能热技术的一种实施方式，是基于传统整体加热蒸发方式的一种替代方案。该技术将太阳能在空气-液体界面处实现光热转化形成热局域。
在低于沸腾温度下将体积水加热产生蒸汽，以及在沸腾温度或高于沸腾温度下产生蒸汽，从而实现有效减少热损失并提高能量转化效率。
太阳能驱动界面水蒸发的基本原理
太阳能作为能源之源，具有绿色、清洁和可持续性等特点。太阳能驱动界面水蒸发主要依赖于光吸收材料的本征光吸收特性或空腔来吸收太阳辐射（图 1-2）。
然后直接或间接将光能转化为热能，并将其传递给空气-液体界面处的液体，减少热量向体积液体的传导，从而对界面液体进行加热，促进界面水蒸发[15]。
太阳能驱动界面水蒸发的应用
太阳能驱动的界面水蒸发作为一种很有前途的技术，以太阳能为唯一能量输入来源和较高的能量转换效率，为各种新型应用功能的开发奠定了基础[16]。
近年来，由太阳能驱动的界面水蒸发系统发展迅速，这使得水蒸汽产能的应用较为广泛。
在本节中，我们将重点介绍太阳能驱动的界面水蒸发在海水淡化、废水净化、杀菌和发电方面的最新应用。
图 1-3 显示了基于太阳能光热转化和太阳能界面水蒸发技术在这四个方面的应用。
石墨烯基光热材料的表征方法
物相结构及化学成分表征
（1）X 射线衍射（XRD）
X 射线衍射是指 X 射线在晶体材料由于相干散射线互相干涉，产生衍射现象。这样的衍射与晶体内部原子排列情况相关，具有规律性，因此，可以通过对材料衍射图谱的分析，确定材料的主要成分、晶体形态、物相结构等信息特征。本研究通过在 X’ Pert3Powder 衍射仪上，功率为 3 kW（管压 45 kV；管流 40 mA），Cu 靶，记录复合材料在2θ 为 5-80°范围内的衍射强度。
（2）傅里叶变换红外光谱（FT-IR）
红外光谱中吸收峰的位置可以用来分析样品中的化学键和*能官**团信息以及化学键状态特征。一般固体样品在测试之前需要将其与纯的 KBr 混合均匀并压片，以 KBr 为参比，在 Spectrum 400F 型号的 FT-IR 光谱仪上以透射方式获得傅里叶变换红外光谱。
（3）激光拉曼光谱（Raman）
拉曼光谱与红外光谱一样都是一种分子振动光谱，它的原理是由于晶体结构的差异导致的晶格振动不同，从而获得样品的化学键以及分子结构等方面的信息。本研究中采用 Horiba 型拉曼光谱仪，以波长为 532 nm 的入射光，采集了复合材料的拉曼光谱图。
（4）X 射线光电子能谱（XPS）
X 射线光电子能谱，作为一种超微量表面分析技术，并且测定深度为 2 nm 左右，可以用于分析并测定样品中元素的组成、化学价态、化学键以及相对含量等方面的信息。此外由于入射光是一种光子束，对样品破坏性小，可以提供样品总体方面的化学信息，被广泛应用于研究材料领域。本研究中，用 Escalab-250Xi 型 XPS 微探针记录了 Mg Kα辐射下的复合材料的 X 射线光电子能谱。
微观形貌和结构表征
（1）扫描电子显微镜（SEM）
扫描电子显微镜，可以观察材料的微观形貌、尺寸大小及表面结构，它的基本原理是用聚焦的很窄的高能电子束来扫描样品，由于材料与电子束之间的相互作用，使其产生二次电子信号，并对这些信号进行收集、放大和再成像，从而获得材料的微观形貌图像。
本研究中采用 Hitachi-SU8010 系统，在加速电压为 5 kV 条件下，获得了复合材料的扫描电子显微镜图片。
（2）透射电子显微镜（TEM）
透射电子显微镜，也是用于获得材料的微观形貌结构和尺寸等信息，还可用于分析晶体材料的暴露晶面。
透射电镜样品的制备步骤一般为将少量的固体在乙醇溶液中超声分散均匀后，将溶液静置 10 min 后，取上清液，用胶头滴管滴加一滴溶液至专用铜网上，待自然晾干后，再重复以上操作 2 次，再进行透射电镜操作。
本研究中复合材料的透射电子显微镜图像以及选区电子衍射（SAED）图像是在加速电压参数为 200 kV 的JEM-2100 系统上获得。
（3）N2 吸附-脱附曲线
氮气吸附-脱附等温曲线采用粉末工艺学的 ASAP 2010 装置在低温液氮环境氛围中进行测定。样品的预处理参数为在 120 ℃条件下，预处理 8 h。
根据 Brunauer-EmmettTeller（BET）法和 Barrett-Joyner-Halenda（BJH）法计算材料的比表面积和孔径分布。
光学性能及光化学反应表征
（1）紫外-可见-近红外漫反射光谱（UV-Vis-NIR DRS）
紫外可见漫反射光谱，是一种反射光谱，也是基于物质分子对特定光辐射范围的吸收特性建立起来的分析方法。本研究中，以 BaSO4 为参比，在 UV-Vis-NIR 分光光度计（Lambda 950）上记录 200~800 nm 和 250~2500 nm 波长范围紫外-可见-近红外漫反射光谱。
（2）荧光光谱（PL）
荧光光谱一般包括激发光谱和发射光谱。目前，研究者们常用发射光谱来表征半导体材料，进而分析其电子结构和光学性质。本研究中用配备氙灯的荧光分光光度计（FLS980，英国）在室温中，激发波长为 390 nm 的光照射下记录复合材料在 500 nm-900 nm 的光致荧光光谱。
（3）电子自旋共振光谱学（ESR）
电子自旋共振是研究未成对电子的顺磁性物质的一种波谱技术。本研究中，在Bruker A300 型仪器上，以 PDMO、TEMP 和 TEMPO 为自旋捕获剂捕获材料因光响应产生活性自由基，进而检测自由基信号。
光电化学性能表征
以材料样品为工作电极，固态 Ag/AgCl 电极（饱和 KCl）为参比电极，Pt 板为对电极，Na2SO4 水溶液（0.5 M）为电解液，采用传统的三电极电化学工作站（Zahner Zennium，德国）测定其光电化学性能。本研究中，将 GO/纳米 PDI 沉淀物滴涂到 ITO 导电玻璃衬底上制备工作电极薄膜（面积 1×1 cm2），然后在 160 ℃下煅烧 2 h，获得工作电极。在300 W氙灯光源照射条件下，光电流响应曲线也随光照的通断而记录。电化学阻抗谱（EIS）采用恒电位仪，在频率为 0.01~100 kHz 范围内进行测试。此外，在 1.0 kHz 的恒定频率下采集 Mott-Schottky 谱图。
结论
（1）本章采用酸催化聚合-热还原法将纳米超分子 PDI 自组装到石墨烯载体上，制备出新一代的宏观光催化复合膜，并结合 XRD、Raman 和 SEM 等表征分析复合膜的形貌和结构特征。
（2）通过 0.5 个太阳可见光 LED 灯照射下对 CIP 的降解效率来评价复合膜的光催化活性，确定合适的酸催化以及复合膜光催化剂的最佳负载量，进而确定最优光催化性能的 5%-rPH。
（3）通过可见光 LED 灯下在实际水体基质（包括自来水、卫河水和黄河水体）中CIP 的光热催化降解和水蒸发测试分析其光催化活性和界面水蒸发性能，结果表明在三种实际水体中，该复合膜对 CIP 依然具有优良的净化效果，分别可以达到 90%以上的降解效率和 10.92%的界面水蒸发效率。
（4）结合自由基捕获实验、EPR 和电化学表征等技术手段明确纳米 PDI 和 rGO 之间的 π-π 作用，不仅促进光生电子与空穴的有效分离，还对能带结构和氧化还原电位具有调控作用，从而产生•O2 -、•OH 和 1O2，高效光催化降解 CIP。
（5）表层纳米 PDI 的电子和空穴的非辐射弛豫以及基底层石墨烯分子热振动，使光能转化为热能，保证了热局域的形成，促进了界面水蒸发，使降解溶液得到进一步净化
参考文献
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