研究背景
界面太阳能蒸发（Interfacial Solar Steam Generation，ISSG）作为一种低成本、绿色高效的淡水生产方式，能够满足偏远和离网地区的淡水需求。石墨烯作为碳材料的一种，具有对太阳光宽带吸收、光热转换性能优良等优点。但是由于石墨烯的高度碳化，材料往往具有较差的亲水性和毛细性能，严重制约了其在界面蒸发领域的应用。同时，传统的石墨烯材料制备工艺（如水热法、化学气相沉积、热剥离和冷冻干燥等）大多繁琐复杂，限制了其大规模应用使用。
激光诱导石墨烯（Laser-Induced Graphene，LIG）作为一种高效、简单的石墨烯制备工艺，已经逐渐在界面蒸发领域展开应用。受到猪笼草表面分级孔洞结构的启发，本研究基于激光诱导石墨烯技术制备了一种具有分级孔洞的多孔石墨烯材料。通过连续型二氧化碳激光在旋涂NaOH溶液的聚酰亚胺薄膜上直写生成多孔石墨烯材料，在亲水基团和表面分层孔洞的作用下，材料的亲水性能和毛细性能大幅度提升。在1个太阳光照下，蒸发速率达到2.41 kg m-2h-1，蒸发效率高达86.6%。此外，该材料还显示出优异的海水淡化能力和稳定性，在高浓度海水中能够保持稳定的蒸发性能，突显了其在ISSG系统中大规模应用的潜力。相关工作以“Enhancing efficiency of interfacial solar steam generation with biomimetic hierarchical porous graphene activated by NaOH”发表在国际期刊《Desalination》（中科院一区，JCR Q1，IF：8.9）上。中山大学先进制造学院余树东助理教授、吴嘉宁副教授为该论文共同通讯作者，余树东助理教授、硕士研究生魏于钧为该论文共同第一作者。
图文速览
图1. 采用10.6微米CO2激光划刻法制备多孔石墨烯。(a) 使用CO2激光在聚酰亚胺（PI）膜上直接书写生成LIG/NaOH的示意图。(b) 激光诱导过程中PI膜的工艺参数。(c) 激光扫描的显微图像，显示激光在PI膜上刻蚀出的沟槽结构。沟槽顶部的无定形碳在反复激光扫描下形成石墨烯。(d) 通过激光划刻获得的石墨烯样品，在棕红色PI基底上可见黑色物质生成。(e-g) 不同浓度NaOH溶液下不同尺度的扫描电子显微镜（SEM）图像：0 M, 5 M, 20 M。(e) 在0 M NaOH下，没有活化效果，样品表面缺乏多孔结构。(f) 在5 M NaOH下，活化充分，石墨烯表面形成密集的多孔结构。(g) 在20 M NaOH下，发生过度活化，目标表面形成互连的空隙，有些多孔结构被破坏。
图2. 不同浓度NaOH溶液处理的各种LIG样品的表征。(a) 拉曼光谱，图中标出了D峰、G峰和2D峰。(b) 从图(a)中的数据计算得到的ID/IG,I2D/IG, FWHM。(c) 样品沿a轴的晶粒尺寸（La）。(d) 不同浓度产品的XPS全谱图。(e) 从图(d)中得到的各种样品的O/C比。(f) FTIR光谱。表征证实了5M的NaOH具有更强的将无定形碳转化为石墨烯的能力。
图3. 仿生多孔LIG的吸光性能和润湿性。(a) LIG样品在太阳光谱中的吸光度，其中NaOH活化丰富了石墨烯的表面形貌，增强了其光吸收能力。(b) LIG样品的接触角，显示NaOH处理的LIG样品具有改进的亲水性，如接触角测量所示。(c) LIG样品随时间变化的毛细上升高度曲线。NaOH处理的LIG样品表现出增强的毛细上升性能。(d) LIG样品的吸水质量，其中LIG/NaOH-5表现最佳。
图4. LIG样品在1个太阳光照下的光热转换性能。(a) 随时间变化的温度上升曲线。曲线显示所有LIG样品的温度上升速率显著，并在一分钟内达到稳定温度。(b) 带有误差棒的平均稳态温度。LIG/NaOH样品的温度低于未处理样品。(c) 样品表面中心线沿线的稳态温度分布。(d) 不同时间（0秒，10秒，5分钟，10分钟）的LIG（上）和LIG/NaOH-5（下）的红外图像。
图5. LIG样品在一个太阳光照强度下具有优良的蒸发和海水淡化性能。(a) 基于LIG/NaOH样品的太阳能界面蒸发装置的示意图。(b) 不同LIG样品随时间变化的水质量变化。(c) 一个太阳光照强度下的蒸发效率。(d) 不同浓度NaCl溶液中溶液质量随时间变化。(e) 海水淡化后纯净水的阳离子浓度。(f) 实地八小时蒸发测试中的水质量变化和太阳照射量。
研究团队
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。
吴嘉宁，中山大学先进制造学院副院长，副教授，博士生导师，中山大学“百人计划”引进人才。近年来，研究主要围绕智能制造、仿生智能机器人及机械系统可靠性展开。近年来在Nature Nanotechnology, PNAS, NSR, iScience等高水平期刊发表通讯/一作SCI论文70余篇（封面论文7篇），授权专利15项。2016年获得第五届国际仿生工程学术大会（International Conference of Bionic Engineering）优秀学生奖（全球2名），研究成果被新华社，中科院，科学网，New York Times, Discover网站，Science主页，New Scientist及Physics.org报道，关于象鼻的仿生研究受邀加拿大Discovery频道制作主题纪录片。2021年受邀参加《CC讲坛》及《格致论道讲坛》，相关视频受《人民日报》，学习强国等媒体平台转载报道。
魏于钧，中山大学先进制造学院在读硕士研究生。主要从事太阳能海水淡化、蒸发器结构设计及制造等方面的研究。在国际期刊Adv. Funct. Mater.、Desalination、Energ. Convers. Manage. 以第一作者/共同第一作者发表论文3篇，申请专利2项。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117909
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