Nano Lett. | 气泡诱导自组装制备纳米裂纹状石墨烯量子点薄膜

英文原题：A Graphene Quantum Dot Film with a Nanoengineered Crack-Like Surface via Bubble-Induced Self-Assembly for High-Power Thermal Energy Management Applications

通讯作者：邓涛，付本威，上海交通大学

作者：Ben Chu (储奔), Benwei Fu (付本威), Lining Dong (董丽宁), Weizheng Cheng (程为铮), Ruitong Wang (王锐桐), Feiyu Zheng (郑飞宇), Cheng Fang (方程), Peng Tao (陶鹏), Chengyi Song (宋成轶), Wen Shang (尚文), Tao Deng (邓涛)

背景介绍

气泡，是一种广泛存在于大自然和工业领域中的物质，可通过气液相变、超声空化和化学反应等多种方式产生。由于其具有高效的物质和能量输运特性，气泡在药物输送、电能产生、材料合成和热能管理等各种应用场景显示巨大潜力。沸腾是一种利用工质的巨大潜热来进行高效驱散多余热量的气液相变方式，不仅可以产生气泡和蒸汽驱动涡轮机发电，而且其高效传热特性确保其能够用于大功率热能管理。提升沸腾传热能力，包括临界热流通量和有效传热系数，将实现更高效能量利用。然而，临界热通量的提升需高毛细力的界面，以重新润湿热斑并延迟膜状沸腾发生，而有效传热系数的提升需高成核点密度的界面。因此，同时提升临界热通量和有效传热系数，需要开发一种具有优异毛细结构及大量成核位点的纳米工程表面。

文章亮点

近日，上海交通大学邓涛/付本威团队在Nano Letters上发表了通过气泡诱导自组装制备具有纳米裂纹状表面的石墨烯量子点薄膜用于高功率热能管理的研究。通过简单的气泡诱导自组装过程，实现纳米材料在气泡下的细薄膜蒸发区自组装形成纳米结构表面（图1）。采用一步水热法制备的自分散石墨烯量子点(GQD)纳米流体作为气泡诱导自组装的工作介质，石墨烯量子点横向尺寸小于10 nm，可完全进入细薄膜蒸发区，并在毛细力、蒸汽反冲力和结构分离压的共同作用下自组装生成具有裂纹状微/纳米结构的GQD薄膜。

图1.气泡诱导自组装过程

这种独特的裂纹状微纳米结构是由于在气泡自组装过程中GQD薄膜与基底之间的局部热应力产生的，该结构具备良好的润湿性和优异的毛细芯吸性能等表面特性（图2）。

图2.具有裂纹状微纳米结构的GQD薄膜表征

具有裂纹状微/纳米结构的GQD薄膜不仅可以在平面基底上生成，还可以与结构表面结合进一步提高相变传热能力。研究表明：高稳定性的GQD薄膜用于聚光光伏高效相变热管理，能够大幅度提升聚光光伏发电效率（图3）。

图3.具有裂纹状微纳米结构的GQD薄膜用于聚光光伏高效热管理

总结/展望

研究团队提出利用简单的气泡自组装方法制备了一种具有裂纹状微/纳米结构的GQD薄膜，将其应用到高效相变热管理中，实现临界热通量和有效传热系数的协同增强，提高聚光光伏电池的性能。本研究为气泡自组装方式制备石墨烯基薄膜提供新的思路，有望在能源相关系统中具有广阔的应用前景。

相关论文发表在Nano Letters上，上海交通大学博士研究生储奔为文章的第一作者，邓涛教授和付本威助理研究员为共同通讯作者。

通讯作者信息：

邓涛 教授

邓涛，材料科学与工程学院，“致远”讲席教授。本科毕业于中国科学技术大学（1996），博士毕业于美国哈佛大学（2001），在美国麻省理工学院完成博士后研究后于2003年进入美国通用电气公司全球研发总部工作。2012年回国加入上海交通大学。主要研究方向是仿生能源材料，热功能材料及器件的制备及性能研究。在Science、Nature Energy、Nature Photonics、Nature Communications、Proceedings of the National Academy of Sciences of the US、Advanced Materials、Journal of American Society of Chemistry、Nano Letters等期刊上发表论文200余篇，并拥有50多项国际和30多项中国专利和专利申请。目前任国际材料联合会执行委员，中国材料学会理事及理事会外事委员会委员，国际仿生材料会议学术委员会委员，及国际期刊Chemical Reviews (化学综述)副主编，Progress in Natural Science和《中国材料进展》的编委。

付本威 助理研究员

付本威，材料科学与工程学院，助理研究员。长期从事热控设计和高性能温控器件开发研究，立足于微尺度相变传热，将工程热物理与材料科学结合，运用多学科的理论与方法，设计、制备基于金属基复合材料的高性能温控材料及器件，相关研究成果发表在Nano Letters、ACS Applied Materials & Interfaces、Materials & Design、Materials Today Energy、Applied Thermal Engineering、Applied Physical Letter、International Journal of Heat and Mass Transfer等国际著名材料、传热期刊共计50余篇，并拥有10项中国专利和专利申请。

Nano Lett. 2022, ASAP

Publication Date:December 21, 2022

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04254

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