中山大学余树东课题组：激光诱导石墨烯/CuO复合材料用于太阳能界面蒸发

中山大学余树东课题组：激光诱导石墨烯/CuO复合材料用于太阳能界面蒸发

中山大学余树东课题组在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了一篇关于激光诱导石墨烯/CuO复合材料的研究论文。该研究开发了一种新型的石墨烯基蒸发器，通过在石墨烯表面修饰CuO纳米颗粒，显著提高了材料的吸光性能和亲水性，使其在太阳能界面蒸发领域展现出优异的性能。

研究背景

界面太阳能蒸发（ISSG）是一种通过海水淡化来生产清洁水的方法，在解决全球淡水资源短缺问题中具有重要意义。碳基材料由于其成本低、可重复使用和出色的光热转换能力，被广泛应用于ISSG中。石墨烯的高太阳能吸收率使其成为ISSG应用中的理想光热材料。

然而，传统的石墨烯基太阳能蒸汽蒸发器制造方法（如水热法、化学气相沉积等）存在成本高、制备工艺复杂等问题，限制了其大规模应用。激光诱导石墨烯（LIG）是一种新颖的石墨烯材料合成技术，能够快速形成薄层多孔石墨烯层。通过表面改性使得LIG具有更好的亲水性成为提升石墨烯基蒸发器性能的一大策略。

研究内容

研究团队提出了一种结合CuO的亲水性复合石墨烯材料，通过一种简便的激光诱导石墨烯合成方法制备了CuO-石墨烯复合材料，增强了材料的吸光吸能及输水性能，进而提升蒸发器的蒸发性能。

材料制备与表征

图1展示了LIG/CuO复合材料的制备过程及扫描电子显微镜（SEM）图像。聚酰亚胺（PI）薄膜经过等离子清洗后，将不同浓度的CuCl2溶液通过旋涂法涂覆在PI薄膜上。在热板上将PI膜充分加热干燥后通过CO2激光扫描，在PI薄膜上诱导形成多孔LIG/CuO复合材料。SEM图像显示，LIG/CuO-200样品的表面修饰有大量的CuO纳米颗粒。

图2对LIG和LIG/CuO复合材料进行了表征。拉曼光谱显示，PI膜表面在CuCl2溶液涂覆和激光的共同作用下生成了薄层石墨烯。XPS全谱和Cu 2p XPS光谱证实了石墨烯的表面附着了CuO纳米颗粒。FTIR光谱显示，亲水官能团的引入增强了LIG/CuO复合材料的亲水性。

性能测试

图3对LIG和多孔LIG/CuO复合材料的吸光性能及输水性能进行了表征。结果显示，与LIG相比，多孔LIG/CuO复合材料的吸光性能略有提高。CuO显著增强了多孔LIG/CuO复合材料的亲水性。多孔结构和CuO微团簇增强了材料的输水性能。

图4展示了多孔LIG/CuO复合材料的光热转换性能。结果显示，多孔LIG/CuO复合材料相比于LIG具有较低的表面温度，这归因于LIG/CuO更强的输水性能增强了蒸发，从表面带走了更多热量。

应用测试

图5基于多孔LIG/CuO复合材料制作的ISSG蒸发性能测试结果显示，在1个太阳光照强度下，LIG/CuO-200的水蒸发速率达到2.54 kg m−2 h−1，蒸发效率为91.1%。在不同盐度水平的海水中，该材料均展现出稳定的蒸发性能。净化后的水符合饮用水标准，展示了在海水淡化中的巨大潜力。

总结与展望

本文提出了一种新型的激光诱导多孔石墨烯/CuO复合材料，用于高效的太阳能蒸汽生成。该复合材料具有高达98.8%的太阳能吸收率和显著改善的亲水性。未来的研究可以进一步优化材料的性能和稳定性，推动规模化生产，并验证材料在实际应用中的长期效果。

论文信息：
Laser-induced Porous Graphene/CuO Composite for Efficient Interfacial Solar Steam Generation
Adv. Funct. Mater., 2024, DOI: 10.1002/adfm.202401149