水是人类社会生存与发展必不可少的重要自然资源。但是，由于分布不均，大量安全和清洁水资源的储备有限，目前有超过10亿人遭受饮用水短缺的困扰。太阳能蒸汽发电技术可能是目前使用可持续太阳能缓解饮用水短缺问题的最有前途的技术之一。光热气凝胶(PTMs)，通过将太阳能转换成热量集中在其表面，快速地加热和蒸发薄层水，从而实现高蒸汽速率和能量转换效率。其中，三维（3D）的石墨烯气凝胶是目前研究最广泛和最接近实际应用的，其在太阳能产生蒸汽具有独特优点，如重量轻，柔性高，蒸发速率和能量效率高等特性。然而，有一个比较严重的问题是石墨烯的价格相对昂贵，所以在实际生活中大规模应用该类PTM在经济合理性上任具有非常大的挑战性。因此，如果要让3D气凝胶PTM被市场所接受，就必须制定一种在不影响效率的前提下减少此类材料中石墨烯含量的策略。其中，实现这一目标的一种理想有效的方法就是使用生物质材料作为3D气凝胶的骨架载体，替代所用的部分石墨烯。
【研究成果】
针对以上难题，近日，南澳大利亚大学徐浩兰研究员（通讯作者），Daniel Peter Storer（第一作者）采用还原氧化石墨烯（RGO）纳米片，海藻酸钠（SA）以及从稻草中提取的纤维素作为原料制备了3D光热气凝胶，用于太阳能水蒸发获取纯净水。
研究结果表明，稻草纤维素作为支撑骨架发挥着重要作用，不仅减少了RGO的使用量，并且提高了所得光热气凝胶的机械稳定性和柔韧性。在RGO和SA含量相同的情况下，RGO-SA气凝胶的体积为4.92 cm 3，远小于RGO-SA-纤维素气凝胶（7.06 cm 3）的体积，这表明稻草纤维素至少可以减少RGO 43.5％的使用量。与RGO-SA-纤维素相比，RGO-SA气凝胶在被负荷（500 g）压缩后无法恢复其原始形状。此外，所制备的光热RGO-SA-纤维素气凝胶具有明显的吸水能力，由于其多孔结构和超亲水性，能够吸收约自身重量20倍的水。并且，光热气凝胶显示出96-97％的强宽带光吸收率。在产生太阳蒸汽期间，3D光热气凝胶不仅有效地减少了辐射和对流能量损失，同时也增强了从环境中收集能量的能力，从而实现了2.25 kg m-2 h-1的极高蒸发速率，相当于在1.0阳光照射下的88.9％ 能量转换效率。
离子测试结果显示，实际海水蒸发过程中收集到的净水盐度仅为0.37 ppm。因此，生物质纤维素部分替代还原石墨烯使得该类光热气凝胶材料不仅环保且具有成本效益，在现实世界的海水淡化应用中具有巨大潜力和实际应用前景。 该研究成果以题为“Graphene and Rice-Straw-Fiber-Based 3D Photothermal Aerogels for Highly Efficient Solar Evaporation”的论文发表在《ACS Applied materials and interfaces》上。
