賢集網6月(yuè)6日(rì)訊：近(jìn)日(rì)，中山(shān)大(dà)學餘樹(shù)東(dōng)助理(lǐ)教授和(hé)團隊造出一(yī)種親水(shuǐ)±性的(de)石墨烯光(guāng)熱(rè)塗層，當将該材料用(yòng)于界面蒸發，在一(yī)個(gè)太陽₩之下(xià)獲得(de)了(le) 2.54kgm-2h-1 的(de)蒸發速率。

界面太陽能(néng)蒸發（Interfacial Solar Steam Generation，ISSG）是(shì)一(yī)種通(tōng)過海(hǎi)水(shuǐ)淡化•(huà)來(lái)生(shēng)産清潔水(shuǐ)的(de)方法，在解決全球淡水(shuǐ)資源短(duǎn)缺問(wèn)題中具有(yǒu)重要(yào∑)意義。

碳基材料由于其成本低(dī)、可(kě)重複使用(yòng)和(hé)出色的(de)光(guāng)熱(rè)轉換能(n₩éng)力，被廣泛應用(yòng)于ISSG中。石墨烯的(de)高(gāo)太陽能(néng)吸收率使其成為(wèi↑)ISSG應用(yòng)中的(de)理(lǐ)想光(guāng)熱(rè)材料。傳統的(de)石墨烯基太陽能(néng)蒸汽蒸發器(qì)制(zhì)造方法包括水(shuǐ)熱(rè)法、化(hu↑à)學氣相(xiàng)沉積、熱(rè)剝離(lí)和(hé)冷(lěng)凍幹燥等。然而，這(zhè)些(xiē)方法由于高(gāo)®成本和(hé)複雜(zá)的(de)制(zhì)備工(gōng)藝，限制(zhì)了(le)其大(dà)規模應用(yòng)。

新材料“明(míng)星”石墨烯

石墨烯是(shì)目前發現(xiàn)的(de)最輕、最薄、最硬且柔性、透明(míng)、導電(diàn)的(dΩe)材料。石墨烯具有(yǒu)優異的(de)導電(diàn)性和(hé)導熱(rè)性，載流子(zǐ)遷移率是(shì)矽的(de)10倍，有(yǒu)望用(yòng)于制(zhìσ)造超高(gāo)比能(néng)動力電(diàn)池和(hé)超高(gāo)頻(pín)率芯片；其導熱(rè)性能(néng)優于碳納米管，有(yǒu)望成為(wèi)電(di₹àn)子(zǐ)産品的(de)新一(yī)代導熱(rè)散熱(rè)材料；它的(de)硬度超過金(jīn)剛石，強度是(shì)鋼的(de)100倍，具有(yǒu)極高(gāo)的(de)透€光(guāng)率和(hé)比表面積，可(kě)用(yòng)于柔性顯示和(hé)海(hǎi)水(shuǐ)淡化(huà)等領域；作(£zuò)為(wèi)矽基芯片的(de)一(yī)種可(kě)能(néng)替代路(lù)線，由石墨烯材料制(zhì)造的(de)“碳基芯片&rdquλo;展現(xiàn)出迷人(rén)前景。

工(gōng)業(yè)和(hé)信息化(huà)部2015年(nián)公布的(de)《中國(guó)制(zhì)造2025重點領域技(jì)術(sεhù)路(lù)線圖》指出，石墨烯材料集多(duō)種優異性能(néng)于一(yī)體(tǐ)，是(shì)主導未來(lái)高(gāo)科(kē)技(jì)競争的(de)超級材料，廣泛應<用(yòng)于電(diàn)子(zǐ)信息、新能(néng)源、航空(kōng)航天以及柔性電(diàn)子(zǐ)等領域，可(kě)極大(dà)推動相(xiλàng)關産業(yè)的(de)快(kuài)速發展和(hé)升級換代，市(shì)場(chǎng)前景巨大(dà)，有(yǒu)望催生(shēng)産業(yè)規模千億元。

激光(guāng)誘導石墨烯合成複合材料

激光(guāng)誘導石墨烯（Laser-Induced Graphene，LIG）是(shì)一(yī)種新穎的(de)石墨烯材料合成技(jì)術(shù)，δ能(néng)夠快(kuài)速形成薄層多(duō)孔石墨烯層。

研究聚焦于開(kāi)發一(yī)種石墨烯-CuO親水(shuǐ)性複合材料，通(tōng)過簡單的(de)激光(guāng)誘導方法≠直接在塗有(yǒu)CuCl 2的(de)聚酰亞胺薄膜上(shàng)進行(xíng)合成。複合材料的(de)增強親水(shuǐ)性和(hé)分(fēn)級結構形态顯著提高(gāo)了(↓le)其輸水(shuǐ)性能(néng)，在1個(gè)太陽光(guāng)照(zhào)下(xià)，蒸發速率達到(dào)2.54 kg m-2h-1，蒸發效率高(gāo)達91.1%。此外(✔wài)，該材料還(hái)展示了(le)出色的(de)海(hǎi)水(shuǐ)淡化(huà)能(néng)力。這(zhè)種石墨烯/CuO複合材✔料在海(hǎi)水(shuǐ)淡化(huà)和(hé)廢水(shuǐ)處理(lǐ)應用(yòng)中顯示出巨大(dà)潛力，特别适用(yòng)于偏遠(yuǎn)地(dì)區(qū)的(de)清潔水±(shuǐ)資源挑戰。創新的(de)合成方法和(hé)複合材料的(de)優異性能(néng)突顯了(∞le)其在ISSG系統中大(dà)規模實際應用(yòng)的(de)潛力。相(xiàng)關工(gōng)作(zuò)以“Laser-induced Porous Graphene/εCuO Composite for Efficient Interfacial Solar Steam Generation”發表在國(guó)際期刊《 Advanced Fun₩ctional Materials》

在海(hǎi)水(shuǐ)淡化(huà)、廢水(shuǐ)處理(lǐ)等方面獲得(de)應用(yòng)價值

預計(jì)本次材料有(yǒu)望在海(hǎi)水(shuǐ)淡化(huà)、廢水(shuǐ)處理(lǐ)等方面獲得(deδ)應用(yòng)，即能(néng)夠作(zuò)為(wèi)已有(yǒu)海(hǎi)水(shuǐ)淡化(huà)技(jì)術(shù)的(de)補充手段，為←(wèi)偏遠(yuǎn)的(de)離(lí)網地(dì)區(qū)提供獲得(de)淡水(shuǐ)的(de)廉價方式。

與此同時(shí)，界面水(shuǐ)蒸發還(hái)有(yǒu)望在海(hǎi)洋漂浮農(nóng)場(chǎ ng)獲得(de)應用(yòng)，為(wèi)海(hǎi)水(shuǐ)農(nóng)場(chǎng)提供持續的(de)灌溉水(shuǐ)資源。

據介紹，太陽能(néng)界面水(shuǐ)蒸發于 2014 年(nián)被首次提出，其利用(yòng)光(guāng)熱(rè)層≈将吸收的(de)太陽光(guāng)轉換成熱(rè)能(néng)，并能(néng)用(yòng)于加速水(shuǐ)的(de)蒸發。通(tōng)過将熱(r↔è)量局域在界面水(shuǐ)層處，可(kě)以獲得(de)将近(jìn) 100% 的(de)“光(guāng)-蒸汽&rd≈quo;轉換效率。界面水(shuǐ)蒸發在海(hǎi)水(shuǐ)淡化(huà)、廢水(shuǐ)處理(lǐ≈)、能(néng)量捕獲等方面具有(yǒu)巨大(dà)的(de)應用(yòng)前景。

中山(shān)大(dà)學餘樹(shù)東(dōng)助理(lǐ)教授和(hé)團隊造出石墨烯光(guāng)熱(rè)塗層

作(zuò)為(wèi)一(yī)種優異的(de)光(guāng)熱(rè)轉換材料，石墨烯材料在太陽能(néng)界面蒸發方面的(de)應用(yòn​g)十分(fēn)廣泛。

但(dàn)是(shì)，傳統的(de)石墨烯制(zhì)備步驟繁瑣、成本高(gāo)昂。激光(guāng)誘導石墨烯，則能(néng)極大(dà)✔解決這(zhè)一(yī)問(wèn)題。要(yào)想将石墨烯用(yòng)于界面蒸發領域，必須解決親水(shuǐ)性這(zhè)一(yī)關鍵問(wèn)題。

幾年(nián)前在德國(guó)卡爾斯魯厄理(lǐ)工(gōng)學院聯培讀(dú)博期間(jiān)，餘樹(shù)東(dōng)主要(yào)研究光(guāng)功能(né€ng)結構制(zhì)造、及其在光(guāng)電(diàn)器(qì)件(jiàn)中的(de)應用(yòng)。在那(nà)期間(jiān)，他( tā)曾經開(kāi)展過太陽能(néng)電(diàn)池的(de)相(xiàng)關研究。

2019 年(nián)博士畢業(yè)之後，餘樹(shù)東(dōng)在華南(nán)理(lǐ)工(gōng)大(dà)↕學從(cóng)事(shì)博士後研究。期間(jiān)，他(tā)開(kāi)始接觸到(dào)太陽能(néng)界面蒸發。當時(sh≈í)，他(tā)讀(dú)到(dào)一(yī)篇發表于 Nature Energy 的(de)綜述論文(wén)。針對(duì)₩太陽能(néng)界面蒸發，論文(wén)裡(lǐ)的(de)相(xiàng)關描述吸引了(le)他(tā)。

後來(lái)，他(tā)發現(xiàn)自(zì)己之前的(de)研究經驗可(kě)以遷移過來(lái)。而且，太陽能(néng)界面蒸發領域主要(yào)關注太陽能(γnéng)利用(yòng)和(hé)純淨水(shuǐ)生(shēng)産。

在當前全球變暖和(hé)水(shuǐ)資源匮乏的(de)大(dà)背景下(xià)，太陽能(néng)水(shuǐ)蒸發顯得(de)尤為(wèi)有(yǒu)意義。

閱讀(dú)大(dà)量論文(wén)之後，他(tā)撰寫了(le)兩篇綜述論文(wén)，先後發表在 Journal of Material s Chemistry A 和(hé)《機(jī)械工(gōng)程學報(bào)》上(shàng)，且都(dōu)成為(wèi)期刊的(de)當期封♦面論文(wén)。

其中，發表在 Journal of Materials Chemistry A 上(shàng)的(de)論文(wén)，還(hái>)入選了(le)科(kē)睿唯安基本科(kē)學指标數(shù)據庫（ESI，Essential Science Indicators）高(gāo)被×引論文(wén)。

在撰寫綜述論文(wén)的(de)過程之中，他(tā)也(yě)發現(xiàn)太陽能(néng)界面蒸發依然存在幾個(gè)待←解決的(de)核心問(wèn)題：

其一(yī)，蒸發和(hé)産水(shuǐ)速率需要(yào)進一(yī)步提升；

其二，需要(yào)解決鹽分(fēn)污染問(wèn)題；

其三，亟需低(dī)成本和(hé)可(kě)規模化(huà)的(de)制(zhì)造方法。

作(zuò)為(wèi)一(yī)名有(yǒu)著(zhe)機(jī)械工(gōng)程背景的(de)科(kē)研人(rén)員(yuán)，他(tā)意識到(dào)制(zhì)造方法将Ω能(néng)針對(duì)前面兩個(gè)問(wèn)題起到(dào)重要(yào)作(zuò)用(yòng)。

這(zhè)時(shí)，他(tā)注意到(dào)學界正在利用(yòng)一(yī)種新型激光(guān→g)加工(gōng)方法來(lái)制(zhì)造石墨烯，并将石墨烯材料用(yòng)于超級電(diàn)容器(qì)和(hé)柔性傳感器(qì)。

這(zhè)讓餘樹(shù)東(dōng)意識到(dào)：激光(guāng)誘導石墨烯是(shì)一(yī)種極具潛力的(de)光(guāng)熱(rè)轉換材料，很(hěn)©有(yǒu)希望用(yòng)于太陽能(néng)界面蒸發器(qì)件(jiàn)。

後來(lái)，他(tā)在查詢資料之後發現(xiàn)傳統的(de)石墨烯制(zhì)造方法不(bù)僅繁瑣複雜(zá)•，而且成本高(gāo)昂。

針對(duì)這(zhè)一(yī)問(wèn)題，學界并非沒有(yǒu)行(xíng)動。比如(rú)，一(®yī)支美(měi)國(guó)團隊曾提出利用(yòng)激光(guāng)加工(gōng)的(de)方法，在聚酰亞胺薄膜上(shàng)誘導出薄層石墨烯。

這(zhè)種簡單高(gāo)效的(de)石墨烯制(zhì)備新方法，很(hěn)快(kuài)便受到(dào)學界的(de)青睐。而在了(le)解相(xiàng)關背景之 後，餘樹(shù)東(dōng)購(gòu)置了(le)太陽光(guāng)模拟器(qì)、精密天平等設備并啓動相(xiàng)關研究。

期間(jiān)，他(tā)在華南(nán)理(lǐ)工(gōng)大(dà)學所指導的(de)研究生(shēng)于佳棟發現(xiàn)：激光(guāng)誘導的(de)石墨烯親水™(shuǐ)性能(néng)不(bù)夠出色，但(dàn)是(shì)這(zhè)個(gè)性能(néng)對(duì)于太陽能(néng)界面蒸發性能(néng)至關重要(yào)。

為(wèi)此，他(tā)們繼續調研文(wén)獻，借此發現(xiàn)如(rú)果在石墨烯層上(shàng)添加親水(shuǐ)性物(wù)質，就(jiù)能(néng)有(yǒu)效÷解決這(zhè)一(yī)問(wèn)題。

然而，針對(duì)激光(guāng)誘導的(de)石墨烯進行(xíng)二次修飾，存在一(yī)定的(de)難度，同時(shí&)效果也(yě)未必好(hǎo)。

為(wèi)此，他(tā)們提出利用(yòng)耦合金(jīn)屬鹽前驅體(tǐ)的(de)方法，在激光(guāng)誘導石墨烯的(de)同時(shí♣)，利用(yòng)過程中産生(shēng)的(de)高(gāo)溫條件(jiàn)，來(lái)實現(x≠iàn)親水(shuǐ)性氧化(huà)物(wù)的(de)生(shēng)成。

随後，他(tā)們選用(yòng)氯化(huà)銅來(lái)作(zuò)為(wèi)前驅體(tǐ)，并在激光(guāng)的(de)↓作(zuò)用(yòng)下(xià)，生(shēng)成了(le)石墨烯/氧化(huà)銅的(de)複合材料φ。

在本次研究期間(jiān)，餘樹(shù)東(dōng)完成了(le)在華南(nán)理(lǐ)工(gōng)大(dà)學的(de)博士後研究，随後入職中山(shān)大(dà)學。

獨立建組之後，在中山(shān)大(dà)學的(de)支持下(xià)他(tā)購(gòu)置了(le)更多(d₽uō)設備。同時(shí)，也(yě)讓自(zì)己的(de)學生(shēng)魏于鈞複現(xiàn)了(le)之前的(de)實驗，課題組的(d₽e)科(kē)研助理(lǐ)李威泓亦在仿真模拟上(shàng)做(zuò)出重要(yào)貢獻。

基于本次研究，他(tā)們打算(suàn)将激光(guāng)誘導工(gōng)藝應用(yòng)在生(¶shēng)物(wù)材料上(shàng)，以期進一(yī)步降低(dī)器(qì)件(jiàn)的(de)整體(tǐ)成本，同時(shí)也(yě)能(néng)更加符合綠(lǜ)色環保的(d₩e)理(lǐ)念。

此外(wài)，他(tā)們還(hái)打算(suàn)探索太陽能(néng)界面蒸發器(qì)件(jiàn)，在水(shuǐ)-電(diàn)聯産方面的(de)可(∑kě)能(néng)性。

在利用(yòng)激光(guāng)誘導獲得(de)純淨水(shuǐ)資源的(de)同時(shí)還(hái)能(•néng)生(shēng)産電(diàn)能(néng)，從(cóng)而進一(yī)步拓展太陽能(néng)界面蒸發器(qì)件(jiàn)的(de)應用(yòng)範圍。

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