界面太陽能蒸汽發(fā)電（ISSG）為生產(chǎn)清潔飲用水提供了一條低成本的綠色途徑，可滿足偏遠(yuǎn)和離網(wǎng)地區(qū)的迫切需求。為了制造高效的 ISSG 設(shè)備，研究人員利用石墨烯作為 ISSG 設(shè)備的有效光熱材料。然而，石墨烯復(fù)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(xiàng)工作中，我們提出了一種利用仿生物分層多孔激光誘導(dǎo)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(jìn)行一步式激光加工，同時(shí)用 NaOH 進(jìn)行活化，從而形成多孔石墨烯結(jié)構(gòu)，提高吸水率和蒸發(fā)率。經(jīng) 5 M NaOH 溶液活化的最佳樣品在單太陽照射下的蒸發(fā)性能達(dá)到 2.41 kg/(m
2⋅h)。這一進(jìn)展為開發(fā)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(dǎo)過程中 PI 薄膜的工藝參數(shù)。(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(jié)構(gòu)。溝槽頂部的無定形碳在反復(fù)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(bǔ)充材料圖 S1）。(e）在 0 M NaOH 溶液中，沒有活化效應(yīng)，樣品表面缺乏多孔結(jié)構(gòu)。(f) 5 M NaOH 時(shí)，活化作用充分，石墨烯表面形成致密的多孔結(jié)構(gòu)。(g) 20 M NaOH 時(shí)，活化過度，導(dǎo)致目標(biāo)表面出現(xiàn)相互連接的空隙，一些多孔結(jié)構(gòu)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(biāo)出了 D 峰、G 峰和 2D 峰。(b) 根據(jù)圖（a）中的數(shù)據(jù)計(jì)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(chǎn)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(xué)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(tài)，增強(qiáng)了其光吸收能力。(b) LIG 樣品的接觸角，接觸角測量結(jié)果表明，經(jīng)過 NaOH 處理的 LIG 樣品親水性更好。(c) LIG 樣品隨時(shí)間變化的毛細(xì)管上升高度曲線。經(jīng) NaOH 處理的 LIG 樣品顯示出更強(qiáng)的毛細(xì)管上升特性。(d) LIG 樣品的吸水質(zhì)量，LIG/NaOH-5 表現(xiàn)最佳。
Fig 4. 太陽光照射下 LIG 樣品的熱特性。(a) 隨時(shí)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(nèi)達(dá)到穩(wěn)定溫度。 (b) 平均穩(wěn)態(tài)溫度，并標(biāo)有誤差條。LIG/NaOH 樣品的溫度低于未經(jīng)處理的樣品。(c) 沿樣品表面中心線的穩(wěn)態(tài)溫度分布。(d) LIG（上圖）和 LIG/NaOH-5（下圖）在不同時(shí)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(fā)和脫鹽性能。(a) 基于 LIG/NaOH 樣品的太陽能界面蒸發(fā)裝置示意圖。(b) 不同 LIG 樣品的水質(zhì)量隨時(shí)間的變化。(c) 單太陽照射下的蒸發(fā)效率。(d) 不同濃度的 NaCl 溶液中溶液質(zhì)量隨時(shí)間的變化。(e) 南海真實(shí)海水凈化后的陽離子濃度。(f) 在真實(shí)太陽輻照下進(jìn)行的八小時(shí)蒸發(fā)試驗(yàn)中水的質(zhì)量變化和太陽輻照。
相關(guān)研究工作由中山大學(xué)Jianing Wu、Shudong Yu和華南理工大學(xué)Jingjing Bai課題組于2024年共同發(fā)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(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
