自地球诞生以来，太阳光便成为支撑生命的重要能源。在化石燃料逐渐枯竭的背景下，太阳能作为人类能源结构的重要组成部分，持续发展与应用。太阳能利用主要通过光电转换和光热转换两种方式实现。光热转换在海水淡化、蒸汽产生等领域对环境友好型能源和可再生能源的利用具有重要意义。石墨烯作为光热材料，以其高宽带吸收、高比表面积和出色热稳定性展现出巨大潜力，然而提高光吸收率与抑制热损失的双重挑战一直制约其应用效率。为解决这一问题，新加坡南洋理工大学Xing Yi Ling教授与Alexander Govorov教授团队合作，成功合成了一种MOF基石墨烯纳米复合物，将太阳能驱动海水淡化领域的光热效率提升至98%的高水平，相关成果发表在《先进功能材料》杂志上，题为“Intensifying Heating Using MOF-Isolated Graphene for Solar-Driven Seawater Desalination at 98% Solar-to-Thermal Efficiency”。

研究团队通过创新性地提出沸石咪唑化物骨架分离的石墨烯（G@ZIF）纳米复合物，有效协同增强了光吸收和热定位，实现了光热转换效率的大幅提升。在模拟单日照下，通过集成G@ZIF与氧化铝膜，实现了高效蒸汽发生器，太阳能到蒸汽转化效率高达96%，且G@ZIF光热蒸汽发生器能够实现接近100%的高效海水淡化和净化污水。

研究中，G@ZIF的制备采用原位生长方法，在室温条件下将甲醇硝酸锌和2-甲基咪唑溶液添加至石墨烯分散液中。ZIF首先在石墨烯表面成核，最终生长成平均厚度约177nm的连续薄膜，完全包封石墨烯两侧。XRD表征证实了石墨烯表面的原始ZIF结构，拉曼分析也显示了ZIF涂层和嵌入石墨烯片的振动信号。G@ZIF的强光热性能主要源于两个协同效应：一是石墨烯与ZIF膜之间的界面纳米腔，增强了光-石墨烯相互作用长度，实现整个太阳光谱范围内的最小透射率和反射率，增强系统光吸收能力；二是ZIF的超低导热率（0.165-0.326 W/mK），确保了石墨烯与ZIF层的完全封装，有效防止了热量向周围环境的传导和热对流，同时多孔ZIF层捕获气体分子帮助减少热传导，大幅抑制了热损失。

实验结果显示，G@ZIF在10次激光照射下的温度随时间变化曲线表明，其在激光照射下具有显著的热积累和抑制热传递能力。G@ZIF薄膜的UV-NIR吸收率与石墨烯相比，明显增强，光热性能显著提升。在实际应用中，干燥G@ZIF薄膜表现出卓越的太阳能转化为热能的效率，高达98%。将基于G@ZIF的蒸汽发生器直接放置在散装水表面，记录的水蒸发速率是无蒸汽发生器条件下的8倍。使用G@ZIF蒸汽发生器淡化海水和处理染料污染水，收集到的水盐度降低约10,000倍，显示了其在高性能太阳能海水淡化和水处理应用中的巨大潜力。

研究团队通过在石墨烯上覆盖绝缘MOF层形成G@ZIF，显著提高了太阳光光热转换效率，为高性能光热材料的设计与实现提供了创新策略。这一独特的G@ZIF设计为高效能量转换和大规模太阳能驱动应用领域提供了新的可能性，有望在能源转换和环境治理方面发挥重要作用。

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文章来源：天狐定制

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