第一作者：魏于钧
通讯作者：余树东
通讯单位：中山大学先进制造学院
论文DOI：10.1002/adfm.202401149
界面太阳能蒸发能够环保高效地生产清洁水。采用石墨烯作为光热转换材料的蒸发器在界面蒸发器领域中已经取得了优异进展。然而，现有的石墨烯材料存在一定的疏水性，并且制造过程较为复杂。本研究提出了一种结合CuO的亲水性复合石墨烯材料，通过一种简便的激光诱导石墨烯合成方法，直接在涂有CuCl2溶液的聚酰亚胺（PI）薄膜上制造。得益于增强的亲水性和分级结构形态所带来的快速毛细作用，组装的激光诱导石墨烯蒸发器在1个太阳照射下实现了2.54 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，蒸发效率达到了91.1%，同时展现出优异的排盐能力。这种新型石墨烯基蒸发器在脱盐和废水处理应用方面具有广阔的前景，为解决偏远地区的清洁水问题提供了有效的解决方案。
相关工作以“Laser-induced Porous Graphene/CuO Composite for Efficient Interfacial Solar Steam Generation”发表在国际期刊《Advanced Functional Materials》（中科院一区，IF：19.0）上。中山大学先进制造学院余树东助理教授为该论文通讯作者，硕士研究生魏于钧为该论文第一作者。
界面太阳能蒸发（Interfacial Solar Steam Generation，ISSG）是一种通过海水淡化来生产清洁水的方法，在解决全球淡水资源短缺问题中具有重要意义。碳基材料由于其成本低、可重复使用和出色的光热转换能力，被广泛应用于ISSG中。石墨烯的高太阳能吸收率使其成为ISSG应用中的理想光热材料。传统的石墨烯基太阳能蒸汽蒸发器制造方法包括水热法、化学气相沉积、热剥离和冷冻干燥等。然而，这些方法由于高成本和复杂的制备工艺，限制了其大规模应用。激光诱导石墨烯（Laser-Induced Graphene，LIG）是一种新颖的石墨烯材料合成技术，能够快速形成薄层多孔石墨烯层。通过表面改性使得LIG具有更好的亲水性成为提升石墨烯基蒸发器性能的一大策略。
提出了一种结合CuO的亲水性复合石墨烯材料，通过一种简便的激光诱导石墨烯合成方法CuO-石墨烯复合材料，增强了材料的吸光吸能及输水性能，进而提升蒸发蒸发器的蒸发性能。
图1 展示了LIG/CuO复合材料的制备过程及扫描电子显微镜（SEM）图像。(a) LIG/CuO复合材料的制备过程如下：聚酰亚胺（PI）薄膜进行等离子清洗后，将不同浓度的CuCl2溶液通过旋涂法涂覆在PI薄膜上。在热板上将PI膜充分加热干燥后通过CO2激光扫描，在PI薄膜上诱导形成多孔LIG/CuO复合材料。(b)-(g) SEM图像展示了没有使用CuCl2溶液处理的多孔LIG样品和使用200 g/L CuCl2溶液处理的多孔LIG/CuO复合材料样品（标记为LIG/CuO-200）。LIG和LIG/CuO-200样品都展现出了分级多孔形貌，但LIG/CuO-200样品的表面修饰有大量的CuO纳米颗粒，而LIG样品的表面则没有这些纳米颗粒（见图d和g）。
图2 对LIG和LIG/CuO复合材料进行了表征。(a) 拉曼光谱。(b) 根据拉曼光谱数据计算的ID/IG、I2D/IG和FWHM值。(c) 沿a轴的晶粒尺寸。PI膜表面在CuCl2溶液涂覆和激光的共同作用下生成了薄层石墨烯。(d) XPS全谱。(e) LIG/CuO-200的Cu 2p XPS光谱，石墨烯的表面附着了CuO纳米颗粒。(f) FTIR光谱，亲水官能团的引入增强了LIG/CuO复合材料的亲水性。
图3 对LIG和多孔LIG/CuO复合材料的吸光性能及输水性能进行了表征。（a） LIG和多孔LIG/CuO复合材料的吸光度。与LIG相比，多孔LIG/CuO复合材料的吸光性能略有提高。（b） LIG和多孔LIG/CuO复合材料的接触角。CuO显著增强了多孔LIG/CuO复合材料的亲水性。（c） LIG和多孔LIG/CuO复合材料的毛细高度和（d）吸水性能。多孔结构和CuO微团簇增强了材料的输水性能。
图4 多孔LIG/CuO复合材料的光热转换性能。(a) 材料表面在1个太阳光照强度下随着照射时间的增加表面温度的变化。表面温度在5分钟内稳定。多孔LIG/CuO复合材料相比于LIG具有较低的表面温度，这归因于LIG/CuO更强的输水性能增强了蒸发，从表面带走了更多热量。(b) 多孔LIG/CuO复合材料的稳态温度。(c) 多孔LIG/CuO复合材料表面的稳态温度分布。由于毛细力和重力的共同作用，蒸发表面两侧的温度低于中间的温度。(d) LIG和LIG/CuO-200在0秒、10秒、30秒和10分钟照射时间下的红外图像。(e) LIG和LIG/CuO-200在稳态下的温度模拟结果。
图5 基于多孔LIG/CuO复合材料制作的ISSG蒸发性能。(a) 在1个太阳光照强度下ISSG的蒸发速率和(b) 效率。(c) 与已发表蒸发器效率的比较。(d) 在不同盐度水平的海水中，包括0 wt.%、0.8 wt.%、3.5 wt.%、7.5 wt.%和10.0 wt.%中的蒸发速率。(e) 室外8小时蒸发测试。(f) 实际海水在脱盐前后Na+、Mg2+、K+和Ca2+离子的浓度。
本文提出了一种新型的激光诱导多孔石墨烯/CuO复合材料，用于高效的太阳能蒸汽生成。该复合材料具有丰富的多孔结构，石墨烯层上分布有CuO纳米颗粒。材料展示了高达98.8%的太阳能吸收率和显著改善的亲水性。在1太阳辐射下，LIG/CuO-200的水蒸发速率达到2.54 kg m−2 h−1，蒸发效率为91.1%。此外，净化后的水符合饮用水标准，展示了在海水淡化中的巨大潜力。未来的研究可以进一步优化材料的性能和稳定性，推动规模化生产，并验证材料在实际应用中的长期效果。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202401149
余树东，博士，中山大学先进制造学院“百人计划”助理教授，硕士生导师。在Adv. Funct. Mater.、Adv. Opt. Mater.、J. Mater. Chem. A等期刊以第一/通讯作者发表高水平论文多篇，包括4篇封面论文，ESI高被引论文1篇；谷歌学术引用900余次，H指数18。主持项目10项，其中包括5项省部级项目。曾获得上银优秀机械博士论文奖、广东省科技进步一等奖等奖项。主要从事仿生功能结构、太阳能利用、光电器件等研究。
欢迎关注我们，订阅更多最新消息
“邃瞳科学云”推出专业的自然科学直播服务啦！不仅直播团队专业，直播画面出色，而且传播渠道多，宣传效果佳。
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系潘经理：18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
邃瞳科学云