韩国科技院《ACS Nano》：低成本、环保、高性能的3D激光诱导石墨烯蒸发器，用于连续太阳能海水淡化

成果简介

由于气候变化、森林砍伐、人口增长和用水需求增加，水资源短缺已成为一项全球性挑战。虽然先进的产水厂在城市地区很普遍，但偏远岛屿和人口稀少的地区在建立此类技术方面面临重大障碍。因此，这些领域迫切需要高效、经济和可持续的水生产技术。本文，韩国科学技术员Young-Jin Kim等研究人员在《ACS Nano》期刊发表名为“Low-Cost, Eco-Friendly, and High-Performance 3D Laser-Induced Graphene Evaporator for Continuous Solar-Powered Water Desalination”的论文，研究提出了一种利用超短脉冲激光在环境条件下直接将棉织物转化为石墨烯的简单方法。

所得激光诱导石墨烯 （LIG） 表现出 99.0% 的最高光吸收效率和较宽的吸收范围 （250–2500 nm）。作为一种优良的太阳能吸收剂，棉织物上的 LIG 可以有效吸收 98.6% 的总太阳辐照度，其表面温度在阳光下可以达到 84.5 °C，无需光集中。此外，我们还提出了一种经济高效的 3D LIG 蒸发器 （LIGE），用于连续太阳能海水淡化。这种创新设计有效地缓解了盐的形成问题，并提高了蒸汽的产生效率。测得的水蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率约为 1.709 kg m–2h–1和 95.1%，超过了之前研究中报道的水平。3D LIGE 的简单性、耐用性和持续运行能力为应对全球水资源短缺的日益严峻的挑战提供了广阔的前景。

图文导读

图1.（a） 在棉织物上卷对卷制造 LIG 太阳能吸收器的示意图。（b） 放大图像显示了通过激光照射将棉织物转化为 LIG。（c） 白色棉织物上的 LIG 太阳能吸收器和由 LIG 制成的 KAIST 标志的照片。（d） 示意图展示了漂浮在海水上以产生蒸汽的 3D LIGE。（e） 示意图阐明了 3D LIGE 用于高效和连续太阳能海水淡化的工作原理。

图2.LIG 和棉织物的材料特性。

图3.LIG 和棉织物的光吸收和光热性能。

图4.3D LIGE 的性能评估。

小结

总之，我们介绍了一种生产低成本、高效、灵活和可持续的石墨烯基太阳能吸收器的途径。激光制造工艺简单，可轻松集成到 R2R 制造中，实现大规模生产和商业化。LIG太阳能吸收器的光吸收率高达 99.0%，吸收范围在 250-2500 纳米之间。因此，LIG太阳能吸收器可吸收约 98.6% 的太阳总辐照度，其表面温度在阳光照射下达到创纪录的84.5 °C。此外，我们还开发了一种三维 LIGE，以最大限度地提高太阳能蒸汽的生成效率，并减少太阳能吸收器上盐分的形成。实验结果表明，太阳能蒸汽产生率约为1.709 kg m-2 h-1，太阳能-蒸汽转换效率约为95.1%。得益于 LIG 的独特组合和三维太阳能蒸发器的创新设计，这一出色的性能超过了以往的研究报告。在棉织物上绿色、大规模地生产 LIG 太阳能吸收器而不需要其他材料，不仅有助于解决全球水资源短缺问题，还能实现无数高性能的太阳能收集应用。

文献：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12553