界面太陽能蒸汽發電（ISSG）為生產清潔飲用水提供了一條低成本的綠色途徑，可滿足偏遠和離網地區的迫切需求。為了制造高效的 ISSG 設備，研究人員利用石墨烯作為 ISSG 設備的有效光熱材料。然而，石墨烯復雜的制造工藝和原始疏水性仍然限制了 ISSG 器件的效率。在這項工作中，我們提出了一種利用仿生物分層多孔激光誘導石墨烯（LIG）提高 ISSG 效率的方法，該方法由 NaOH 激活。該方法包括對聚酰亞胺薄膜進行一步式激光加工，同時用 NaOH 進行活化，從而形成多孔石墨烯結構，提高吸水率和蒸發率。經 5 M NaOH 溶液活化的最佳樣品在單太陽照射下的蒸發性能達到 2.41 kg/(m
2⋅h)。這一進展為開發具有成本效益和高效率的 ISSG 器件提供了前景廣闊的途徑。
Fig 1. 使用 10.6-μm CO2 激光器通過激光劃線法制造多孔石墨烯。(a) 使用 CO2 激光在 PI 薄膜上直接刻寫以生成 LIG/NaOH 的示意圖。 (b) 激光誘導過程中 PI 薄膜的工藝參數。(c) 激光掃描的顯微圖像，顯示激光在 PI 薄膜上蝕刻出的溝槽結構。溝槽頂部的無定形碳在反復激光掃描下形成石墨烯。(d) 通過激光劃線獲得的石墨烯樣品，在棕紅色的 PI 基底上可以看到黑色材料的生成。(e-g）不同濃度的 NaOH 溶液下不同尺度的 SEM 圖像：0M、5M、20M（其他濃度的 SEM 圖像見補充材料圖 S1）。(e）在 0 M NaOH 溶液中，沒有活化效應，樣品表面缺乏多孔結構。(f) 5 M NaOH 時，活化作用充分，石墨烯表面形成致密的多孔結構。(g) 20 M NaOH 時，活化過度，導致目標表面出現相互連接的空隙，一些多孔結構破碎。
Fig 2. 用不同濃度的 NaOH 溶液處理的各種 LIG 樣品的特性。(a) 拉曼光譜，圖中標出了 D 峰、G 峰和 2D 峰。(b) 根據圖（a）中的數據計算出的 ID/IG、I2D/IG 和 FWHM。(c) 樣品沿 a 軸（La）的晶體尺寸。(d) 不同濃度產品的 XPS 勘測光譜。(e) 圖（d）中不同樣品的 O/C 比。(f) 傅立葉變換紅外光譜。
Fig 3. 仿生物多孔石墨烯的光學吸收和潤濕性。(a) LIG 樣品在太陽光光譜下的吸收率，NaOH 活化豐富了石墨烯的表面形態，增強了其光吸收能力。(b) LIG 樣品的接觸角，接觸角測量結果表明，經過 NaOH 處理的 LIG 樣品親水性更好。(c) LIG 樣品隨時間變化的毛細管上升高度曲線。經 NaOH 處理的 LIG 樣品顯示出更強的毛細管上升特性。(d) LIG 樣品的吸水質量，LIG/NaOH-5 表現最佳。
Fig 4. 太陽光照射下 LIG 樣品的熱特性。(a) 隨時間變化的溫度上升曲線。曲線顯示，所有 LIG 樣品都有明顯的升溫速率，并在一分鐘內達到穩定溫度。 (b) 平均穩態溫度，并標有誤差條。LIG/NaOH 樣品的溫度低于未經處理的樣品。(c) 沿樣品表面中心線的穩態溫度分布。(d) LIG（上圖）和 LIG/NaOH-5（下圖）在不同時間（0 秒、10 秒、5 分鐘和 10 分鐘）的紅外圖像。
Fig 5. LIG 樣品在一太陽光照射下的蒸發和脫鹽性能。(a) 基于 LIG/NaOH 樣品的太陽能界面蒸發裝置示意圖。(b) 不同 LIG 樣品的水質量隨時間的變化。(c) 單太陽照射下的蒸發效率。(d) 不同濃度的 NaCl 溶液中溶液質量隨時間的變化。(e) 南海真實海水凈化后的陽離子濃度。(f) 在真實太陽輻照下進行的八小時蒸發試驗中水的質量變化和太陽輻照。
相關研究工作由中山大學Jianing Wu、Shudong Yu和華南理工大學Jingjing Bai課題組于2024年共同發表在《Desalination》期刊上，Enhancing efficiency of interfacial solar steam generation with biomimetic hierarchical porous graphene activated by NaOH，原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117909
轉自《石墨烯研究》公眾號
