界面太阳能蒸汽发电（ISSG）为生产清洁饮用水提供了一条低成本的绿色途径，可满足偏远和离网地区的迫切需求。为了制造高效的 ISSG 设备，研究人员利用石墨烯作为 ISSG 设备的有效光热材料。然而，石墨烯复杂的制造工艺和原始疏水性仍然限制了 ISSG 器件的效率。在这项工作中，我们提出了一种利用仿生物分层多孔激光诱导石墨烯（LIG）提高 ISSG 效率的方法，该方法由 NaOH 激活。该方法包括对聚酰亚胺薄膜进行一步式激光加工，同时用 NaOH 进行活化，从而形成多孔石墨烯结构，提高吸水率和蒸发率。经 5 M NaOH 溶液活化的最佳样品在单太阳照射下的蒸发性能达到 2.41 kg/(m²⋅h)。这一进展为开发具有成本效益和高效率的 ISSG 器件提供了前景广阔的途径。
 
 
Fig 1. 使用 10.6-μm CO2 激光器通过激光划线法制造多孔石墨烯。(a) 使用 CO2 激光在 PI 薄膜上直接刻写以生成 LIG/NaOH 的示意图。 (b) 激光诱导过程中 PI 薄膜的工艺参数。(c) 激光扫描的显微图像，显示激光在 PI 薄膜上蚀刻出的沟槽结构。沟槽顶部的无定形碳在反复激光扫描下形成石墨烯。(d) 通过激光划线获得的石墨烯样品，在棕红色的 PI 基底上可以看到黑色材料的生成。(e-g）不同浓度的 NaOH 溶液下不同尺度的 SEM 图像：0M、5M、20M（其他浓度的 SEM 图像见补充材料图 S1）。(e）在 0 M NaOH 溶液中，没有活化效应，样品表面缺乏多孔结构。(f) 5 M NaOH 时，活化作用充分，石墨烯表面形成致密的多孔结构。(g) 20 M NaOH 时，活化过度，导致目标表面出现相互连接的空隙，一些多孔结构破碎。
 

Fig 2. 用不同浓度的 NaOH 溶液处理的各种 LIG 样品的特性。(a) 拉曼光谱，图中标出了 D 峰、G 峰和 2D 峰。(b) 根据图（a）中的数据计算出的 ID/IG、I2D/IG 和 FWHM。(c) 样品沿 a 轴（La）的晶体尺寸。(d) 不同浓度产品的 XPS 勘测光谱。(e) 图（d）中不同样品的 O/C 比。(f) 傅立叶变换红外光谱。
 
 
Fig 3. 仿生物多孔石墨烯的光学吸收和润湿性。(a) LIG 样品在太阳光光谱下的吸收率，NaOH 活化丰富了石墨烯的表面形态，增强了其光吸收能力。(b) LIG 样品的接触角，接触角测量结果表明，经过 NaOH 处理的 LIG 样品亲水性更好。(c) LIG 样品随时间变化的毛细管上升高度曲线。经 NaOH 处理的 LIG 样品显示出更强的毛细管上升特性。(d) LIG 样品的吸水质量，LIG/NaOH-5 表现最佳。
 
 
Fig 4. 太阳光照射下 LIG 样品的热特性。(a) 随时间变化的温度上升曲线。曲线显示，所有 LIG 样品都有明显的升温速率，并在一分钟内达到稳定温度。 (b) 平均稳态温度，并标有误差条。LIG/NaOH 样品的温度低于未经处理的样品。(c) 沿样品表面中心线的稳态温度分布。(d) LIG（上图）和 LIG/NaOH-5（下图）在不同时间（0 秒、10 秒、5 分钟和 10 分钟）的红外图像。
 

Fig 5. LIG 样品在一太阳光照射下的蒸发和脱盐性能。(a) 基于 LIG/NaOH 样品的太阳能界面蒸发装置示意图。(b) 不同 LIG 样品的水质量随时间的变化。(c) 单太阳照射下的蒸发效率。(d) 不同浓度的 NaCl 溶液中溶液质量随时间的变化。(e) 南海真实海水净化后的阳离子浓度。(f) 在真实太阳辐照下进行的八小时蒸发试验中水的质量变化和太阳辐照。
 
        相关研究工作由中山大学Jianing Wu、Shudong Yu和华南理工大学Jingjing Bai课题组于2024年共同发表在《Desalination》期刊上，Enhancing efficiency of interfacial solar steam generation with biomimetic hierarchical porous graphene activated by NaOH，原文链接：https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117909

转自《石墨烯研究》公众号