中山大学余树东AFM：激光诱导石墨烯/CuO用于太阳能界面蒸发

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。本研究聚焦于开发一种石墨烯-CuO亲水性复合材料，通过简单的激光诱导方法直接在涂有CuCl₂的聚酰亚胺薄膜上进行合成。复合材料的增强亲水性和分级结构形态显著提高了其输水性能，在1个太阳光照下，蒸发速率达到2.54 kg m^-2h^-1，蒸发效率高达91.1%。此外，该材料还展示了出色的海水淡化能力。这种石墨烯/CuO复合材料在海水淡化和废水处理应用中显示出巨大潜力，特别适用于偏远地区的清洁水资源挑战。创新的合成方法和复合材料的优异性能突显了其在ISSG系统中大规模实际应用的潜力。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。

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I_D/I_G、I_2D/I_G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。

作者简介：

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。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202401149