研究背景
随着人类活动的加剧和水资源分布的不均衡，水资源短缺已成为全球发展的重要挑战之一。传统的海水淡化技术需要大量的基础设施和能源消耗，而太阳能驱动的界面蒸发技术提供了一种可持续的淡水生产方法，尤其适合经济欠发达地区。然而，传统的界面蒸发技术在去除水中的有机污染物（尤其是挥发性有机化合物，VOCs）方面存在不足，这些污染物可能会随着水蒸气进入冷凝水中，影响淡水的质量。因此，开发一种能够同时实现高效蒸发和有机污染物降解的太阳能驱动装置具有重要意义。
研究内容
本研究开发了一种基于激光诱导多孔石墨烯（LIG）和光催化剂的三维界面蒸发器，旨在实现高效的太阳能驱动蒸发和有机污染物的降解。在材料制备方面，通过激光诱导技术在聚酰亚胺（PI）薄膜上制备多孔石墨烯（LIG）。采用水热法将纳米二氧化钛（TiO₂）引入多孔石墨烯中，形成光热-光催化复合材料。利用激光诱导前向转移技术（LIFT），将复合材料沉积到无尘布表面，构建三维蒸发结构。在性能测试方面，测试了复合材料的光热性能、光学吸收性能和表面润湿性。通过实验评估了蒸发器在1太阳光照下的蒸发效率，并对比了不同复合材料的性能。评估了蒸发器在降解有机污染物（如亚甲基蓝和罗丹明B）方面的光催化性能。在实际应用测试方面，在真实太阳光下测试了蒸发器的淡水生产能力和有机污染物降解效率。
图文导读
图1. 基于激光诱导石墨烯（LIG）/二氧化钛（TiO₂）@无尘布的三维蒸发器的示意图和制备过程。a) 三维蒸发器的示意图，展示了太阳能驱动的海水淡化和典型有机物降解的协同耦合两个阶段。b) 激光诱导过程的示意图。c) 通过水热反应在聚酰亚胺（PI）/激光诱导石墨烯（LIG）薄膜表面沉积二氧化钛（TiO₂）。d) 通过激光诱导前向转移技术（LIFT），将二氧化钛纳米颗粒（TiO₂ NPs）引入多孔激光诱导石墨烯（LIG）中。e) 通过激光诱导前向转移技术（LIFT），将激光诱导石墨烯（LIG）/二氧化钛（TiO₂）光热复合材料沉积在无尘布表面。
图2. 太阳能驱动装置在真实太阳辐射下的水净化效果评估。a) 实验装置示意图。b) 实验装置照片（上：未暴露于太阳辐射；下：经过6小时太阳辐射后）。c) 在评估测试当天，实际太阳辐射强度随时间的变化监测值（由香港天文台提供支持）。d) 测试前污水的电阻率。e) 冷凝水的电阻率。f) 含有亚甲基蓝（MB）的污水在测试前后的光谱图。g) 含有罗丹明B（RhB）的污水在测试前后的光谱图。
结论与展望
- 蒸发效率：所开发的三维界面蒸发器在1太阳光照下实现了2.13 kg/m²·h的蒸发效率，表现出优异的光热转换性能。
- 光催化降解性能：在90分钟的1太阳光照下，蒸发器对亚甲基蓝和罗丹明B的降解率分别达到98.3%和97.8%；在6小时真实太阳光照下，降解效率可达99.8%。
- 实际应用潜力：在真实太阳光照下，蒸发器能够有效去除水中的有机污染物，并生产出符合淡水标准的水，电阻率从173 kΩ提高到19.25 MΩ。
- 结构优势：多孔石墨烯的引入不仅提高了光热性能，还增强了光催化剂的电子迁移率，抑制了电荷载流子的复合，从而显著提高了光催化活性。
- 经济适用性：该装置设计简单，成本低廉，适合在经济欠发达地区推广，为解决水资源短缺问题提供了新的思路。综上所述，该研究为设计高效的太阳能蒸汽生成装置提供了新的视角，并展示了其在废水处理和淡水生产中的应用潜力。
参考文献
Hong Zhong, Zhongyu Lai, Dan Xu, Shifeng Wang, Highly pure water generation via solar driven evaporation and photodegradation based on laser-induced graphene. Solar Energy Materials & Solar Cells 282 (2025) 113406.
文献链接：https://doi.org/10.1016/j.solmat.2025.113406
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