界面太阳能蒸汽生成（ISSG）是一种通过海水淡化生产清洁水的环保高效方法。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表现出色。然而，现有的石墨烯材料存在一定的疏水性，且制造过程复杂。本文提出了一种包含CuO的亲水性复合石墨烯材料，采用简单的激光诱导石墨烯（LIG）合成方法，直接在涂有CuCl₂的聚酰亚胺薄膜上制造。由于增强的亲水性和层次结构形态，组装的LIG蒸发器在1个太阳光照射下实现了2.54 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率和91.1%的蒸发效率，同时展示了优异的脱盐能力。该石墨烯基蒸发器在脱盐和废水处理方面具有重要潜力，为解决偏远地区的清洁水问题提供了有效的解决方案。
成果简介
本文开发了一种通过LIG方法制造的高效界面蒸发器。PI薄膜经过CuCl₂溶液不同浓度的表面涂层处理后，接受连续波CO₂激光处理，直接在柔性PI基底上合成了石墨烯/CuO复合层。涂有200 g L⁻¹ CuCl₂溶液的LIG/CuO-200在1个太阳光照射下表现出最高的蒸发性能，蒸发速率为2.54 kg m⁻² h⁻¹，效率为91.1%。制备过程包括旋涂和激光直接书写，简便低成本。
研究亮点
- 新型复合材料：采用LIG方法直接在PI薄膜上合成石墨烯/CuO复合材料。
- 高效亲水性：通过CuO纳米颗粒的引入，显著增强了石墨烯的亲水性。
- 高蒸发性能：LIG/CuO-200在1个太阳光照射下达到2.54 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，蒸发效率为91.1%。
- 优异的脱盐能力：该复合材料展示了出色的海水脱盐性能，可用于实际应用。
配图精析
图 1: LIG/CuO复合材料的制备和形貌。(a) 激光诱导石墨烯/CuO复合材料在涂有不同浓度CuCl₂溶液的PI薄膜上的制备过程示意图。(b-d) 处理后的LIG和LIG/CuO-200样品的扫描电子显微镜（SEM）图像，展示了多孔形貌。
图 2: LIG和LIG/CuO复合材料的结构和表征。
图 3: LIG和LIG/CuO复合材料的光吸收和水润湿性。(a) LIG和多孔LIG/CuO复合材料的吸光率，与纯LIG相比，多孔LIG/CuO复合材料的吸光率有所提高。(b) LIG和多孔LIG/CuO复合材料的接触角，CuO显著增强了材料的润湿性。(c) 毛细高度和(d)水吸收性能，LIG和多孔LIG/CuO复合材料的内部多孔结构和石墨烯表面的CuO微簇增强了材料的水传输性能。
图 4: 多孔LIG/CuO复合材料的光热转换性能。(a) 1个太阳光照射下表面温度随时间的变化，表面温度在5分钟内稳定。(b) 多孔LIG/CuO复合材料的温度统计（5-10分钟数据用于计算）。(c) 在10分钟时多孔LIG/CuO复合材料表面的稳定温度分布，由于毛细作用，蒸发表面两侧的温度低于中间温度。(d) LIG和LIG/CuO-200在0秒、10秒、30秒和10分钟光照时间下的红外图像。(e) LIG和LIG/CuO-200在稳态条件下的模拟温度结果。
图 5: 基于多孔LIG/CuO复合材料的ISSG蒸发和脱盐性能。(a) 1个太阳光照射下LIG和多孔LIG/CuO复合材料的质量变化。(b) 1个太阳光照射下的蒸发效率。(c) 与最近发表的蒸发器效率比较。(d) 在不同盐度水平的海水中的蒸发速率，包括0、0.8、3.5、7.5和10.0 wt.%的盐溶液。(e) 室外8小时蒸发测试，蒸发面积为4 cm²，位置为113.9°E，22.8°N，无障碍物。(f) 实际海水在脱盐前后的Na⁺、Mg²⁺、K⁺和Ca²⁺离子浓度。
展望
本文通过激光诱导过程制备了一种高效的石墨烯/CuO复合材料用于太阳能蒸汽生成。该复合材料具有丰富的多孔结构，CuO纳米和微粒分布在石墨烯层上，表现出优异的光吸收和亲水性，在1个太阳光照射下达到2.54 kg m⁻² h⁻¹的水蒸发速率和91.1%的太阳能蒸汽效率。进一步，净化水符合饮用水标准，展示了其在海水淡化方面的潜在应用。研究证明，石墨烯/CuO制成的蒸发器在太阳能蒸汽生成和盐水淡化方面具有坚固可靠的性能，具有应对全球淡水短缺问题的巨大潜力。
文献信息
标题: Laser‐Induced Porous Graphene/CuO Composite for Efficient Interfacial Solar Steam Generation
期刊: Advanced Functional Materials
DOI: 10.1002/adfm.202401149
原文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202401149
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