閃蒸焦耳加熱合成多功能石墨烯涂層用于高效太陽能蒸發器

面對全球淡水資源日益匱乏的挑戰，太陽能驅動界面蒸發技術因其能夠利用可再生能源進行海水淡化和污水處理而備受關注。然而，該領域的發展面臨多重科學與技術瓶頸：傳統光熱材料的蒸發效率有限、長期運行下蒸發表面的鹽分析出問題、太陽能間歇性導致的無法連續工作，以及產水過程中可能存在的微塑料等新興污染物風險。因此，開發一種能夠同時實現高效光熱轉換、具備抗鹽性、可全天候運行且能保障產水水質的多功能光熱層，成為推動該技術走向實際應用的關鍵。

論文概要

2026年3月2日，湖南醫科大學陳剛團隊在期刊Advanced Engineering Materials上發表了題為“Multifunctional Nanoporous Flash Graphene Coating for Solar Evaporator with Salt Resistance, Microplastic Rejection, and All-Day Purification”的研究論文。本研究提出了一種基于閃蒸石墨烯的新型多功能納米多孔涂層，用于構建高性能太陽能蒸發器。研究團隊采用閃蒸焦耳加熱技術，以碳黑為原料，在真空條件下通過高壓電容器瞬間放電（250 V電壓，1000 ms），在毫秒級時間內將反應物加熱至3000 K以上，從而快速、低成本地合成了具有渦輪層堆疊結構的閃蒸石墨烯。該方法無需復雜設備，制備效率高（克級/秒），且所獲石墨烯層間相互作用弱、分散性優異。隨后，將閃蒸石墨烯與高分子樹脂混合配制成墨水，涂覆于親水性三聚氰胺泡沫上，形成獨特的Janus結構蒸發器。核心發現表明，該閃蒸石墨烯涂層不僅實現了高達93.8%的寬帶太陽光吸收率和優異的透氣性，其疏水特性與納米多孔結構更賦予了蒸發器卓越的抗鹽結晶能力和高效阻截微塑料（去除率>99.9%）的能力。最終，該系統在1個太陽照射下實現了3.08 kg m?2 h?1的蒸發速率和95.3%的光熱轉換效率，并可通過焦耳熱效應在夜間或弱光條件下持續工作，實現了全天候高效海水淡化與水凈化。

圖文解讀

圖1：閃蒸石墨烯的合成與多功能太陽能蒸發器示意圖。 (a) 以碳黑為原料，通過閃蒸焦耳加熱技術在毫秒級時間內合成閃蒸石墨烯的過程示意圖。(b) 基于閃蒸石墨烯涂層的蒸發器結構與工作原理圖。該蒸發器由底部的親水性三聚氰胺泡沫和頂部的疏水性閃蒸石墨烯光熱層構成Janus結構，可利用太陽光或電能進行界面加熱，同時實現抗鹽、阻截微塑料和全天候海水淡化的多重功能。

圖2：閃蒸石墨烯的表征與蒸發器微觀結構。 (a) 從碳黑制備閃蒸石墨烯，到配制閃蒸石墨烯樹脂，最后涂覆于三聚氰胺泡沫上制成MF-FG80蒸發器的流程示意圖。(b) 閃蒸石墨烯的TEM圖像，顯示其具有約0.345 nm的晶格條紋，對應于渦層堆疊結構。(c) 碳黑與閃蒸石墨烯的XRD圖譜。閃蒸石墨烯出現不對稱的（002）峰，表明其層間相互作用減弱，證實了渦層結構的形成。(d) MF-FG80的頂部SEM圖像，顯示閃蒸石墨烯組裝體緊密地嵌入三聚氰胺泡沫的三維網絡中，形成了物理互鎖的穩定界面。

圖3：閃蒸石墨烯涂層的多功能性：光熱轉換、導電性、疏水性與透氣性。 (a) 涂有"CUG"字樣閃蒸石墨烯的三聚氰胺泡沫在太陽光照射5分鐘后的紅外熱成像圖，證明其優異的光熱轉換能力。(b) MF-FG80作為導電電路的一部分點亮LED燈泡，展示其良好的導電性。(c) MF-FG80蒸發器頂部（120°）與底部（0°）的水接觸角對比，證實了其頂部疏水、底部親水的Janus結構特性。(d) 示意圖說明疏水的閃蒸石墨烯涂層能阻擋液態水滲透，但允許水蒸氣通過其納米多孔結構。(e) 用于測試水蒸氣透過率的實驗裝置示意圖。(f) 不同樣品（敞開、密封、三聚氰胺泡沫、MF-FG80）的水蒸氣透過量隨時間變化曲線。結果表明，MF-FG80的透氣率達到了裸三聚氰胺泡沫的93%，證明涂層對水蒸氣擴散阻力極小。

圖4：MF-FG80蒸發器的光熱海水淡化性能。 (a) MF-FG80進行高效光熱界面蒸發的示意圖。(b) 三聚氰胺泡沫和MF-FG80的UV-vis-NIR吸收光譜，顯示MF-FG80在300-2500 nm波長范圍內的平均吸收率高達93.8%。(c) 模擬太陽光水凈化測試裝置示意圖。(d) 干、濕狀態下MF-FG80在1個太陽照射下表面溫度隨時間變化的紅外熱成像圖。(e) 不同樣品（純水、三聚氰胺泡沫、MF-FG80）在濕態下的表面溫度變化曲線。(f) 不同樣品在1個太陽照射下，水的質量變化隨時間的關系曲線，MF-FG80的蒸發速率達到3.08 kg m?2 h?1。(g) MF-FG80在不同濃度模擬海水中，水的質量變化隨時間的關系曲線，顯示其即使在20 wt%高鹽度下仍能保持2.33 kg m?2 h?1的蒸發速率。(h) 天然海水樣品在脫鹽前后四種主要陽離子（Na?, Mg2?, K?, Ca2?）濃度的對比，離子去除率接近100%。(i) 分別用海水、凈化后的水和純水灌溉9天后的菠菜種子生長情況照片，顯示凈化后的水與純水效果相當。(j) 甲基橙和羅丹明B染料溶液（50 mg L?1）在光熱凈化前后的UV-vis吸收光譜，凈化后水中未檢測到染料特征峰，去除率達99.9%。

圖5：MF-FG80蒸發器的穩定性與抗鹽性能。 (a) MF-FG80蒸發器在連續7天、每天1小時1個太陽照射下的長期穩定性測試，蒸發速率保持穩定。(b) MF-FG80在1個太陽照射下，于海水中連續運行34小時的蒸發速率變化曲線，速率未見明顯衰減。(c) 連續光照34小時后，蒸發器表面的照片，未觀察到明顯的鹽晶體析出，證明了其優異的抗鹽性能。

圖6：MF-FG80蒸發器去除微塑料的性能。 (a) MF-FG80在蒸發過程中同時產生清潔水和攔截微塑料的示意圖，其納米多孔結構起到關鍵作用。(b) 從特定海域（120.5°E, 37.6°N）采集的水樣中觀察到的微塑料光學顯微鏡照片，說明了微塑料污染的普遍性。(c) 濃度為75 mg L?1的1 μm聚苯乙烯微球分散液在光熱凈化前（藍色）和凈化后（無色）的光學照片，凈化后的水中未觀察到微塑料顆粒。(d) 聚苯乙烯分散液在凈化前后的UV-vis吸收光譜，凈化后的水中未檢測到聚苯乙烯的吸收峰，證明了>99.9%的去除效率。

圖7：MF-FG80蒸發器的電熱及光-電協同蒸發性能。 (a) MF-FG80進行電熱界面蒸發的示意圖。(b) MF-FG80在7 V電壓下的加熱/冷卻循環曲線，顯示其快速響應和穩定的電熱性能。(c) 在7 V電壓下，MF-FG80表面溫度隨時間變化及對應的紅外熱成像圖（插圖）。(d) 不同驅動電壓（5 V, 6 V, 7 V）下，MF-FG80的蒸發速率，在7 V時可達2.79 kg m?2 h?1。(e) 在不同光照強度（0, 0.5, 0.75, 1 sun）下，有/無7 V電壓輔助時，蒸發器表面達到的穩定溫度對比。(f) 對應于(e)中條件的紅外熱成像照片，直觀展示了光-電協同加熱的效果。(g) 在不同光照和電壓驅動下，MF-FG80的蒸發速率，在1 sun + 7 V條件下，速率可達4.58 kg m?2 h?1，展現出顯著的協同增強效應。

圖8：MF-FG80蒸發器的全天候戶外運行驗證。 (a) 用于全天候戶外實驗的裝置安裝照片，包含太陽能板、移動電源、冷凝收集裝置和蒸發器。(b) 全天候蒸發工作原理示意圖：白天利用太陽能驅動蒸發并儲存多余能量，夜間或陰天利用儲存的電能驅動MF-FG80進行電熱蒸發。(c) 戶外測試期間（9:00至24:00），光學密度、室外溫度、濕度及蒸發速率的實時變化記錄。結果顯示，在夜間（19:00后）啟動7 V電壓加熱，蒸發速率得以維持，證明了該系統全天候運行的可行性。

總結展望

總之，本研究利用閃蒸焦耳加熱技術合成的渦層結構閃蒸石墨烯，制備多功能納米多孔涂層，并將其與親水性三聚氰胺泡沫復合，構建具有Janus結構的太陽能蒸發器。其核心機制在于：頂部閃蒸石墨烯涂層的渦層結構賦予了材料優異的分散性與成膜性，所形成的納米多孔網絡不僅通過多重光散射實現了>93.8%的寬帶太陽光吸收，還保證了水蒸氣的高效逃逸；同時，該涂層的疏水性與納米孔道產生了尺寸篩分效應，有效阻隔了鹽離子的表面結晶與微塑料顆粒的透過。底部親水多孔的三聚氰胺泡沫則確保了持續的水分供應和鹽離子的反向擴散。基于上述結構與機制，該蒸發器展現出卓越的性能：在1個太陽下蒸發速率高達3.08 kg m?2 h?1，光熱轉換效率為95.3%；在20 wt%高鹽度下長期運行無鹽分析出；對微塑料和染料去除率均超過99.9%；并可通過焦耳熱效應實現全天候工作（7 V電壓下蒸發速率2.79 kg m?2 h?1）。此工作不僅提供了一種高效、可回收、能連續生產清潔水的技術方案，其核心價值在于為設計下一代多功能、高穩定性太陽能界面蒸發器提供了新的思路。未來可探索將此涂層策略應用于更多復雜水體處理場景，并進一步優化其能量管理與長期服役性能。

來源：高溫熱沖擊焦耳熱超快合成