贤集网6月6日讯：近日，中山大学余树东助理教授和团队造出一种亲水性的石墨烯光热涂层，当将该材料用于界面蒸发，在一个太阳之下获得了 2.54kgm-2h-1 的蒸发速率。

界面太阳能蒸发（Interfacial Solar Steam Generation，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。传统的石墨烯基太阳能蒸汽蒸发器制造方法包括水热法、化学气相沉积、热剥离和冷冻干燥等。然而，这些方法由于高成本和复杂的制备工艺，限制了其大规模应用。

 

新材料“明星”石墨烯

石墨烯是目前发现的最轻、最薄、最硬且柔性、透明、导电的材料。石墨烯具有优异的导电性和导热性，载流子迁移率是硅的10倍，有望用于制造超高比能动力电池和超高频率芯片；其导热性能优于碳纳米管，有望成为电子产品的新一代导热散热材料；它的硬度超过金刚石，强度是钢的100倍，具有极高的透光率和比表面积，可用于柔性显示和海水淡化等领域；作为硅基芯片的一种可能替代路线，由石墨烯材料制造的“碳基芯片”展现出迷人前景。

工业和信息化部2015年公布的《中国制造2025重点领域技术路线图》指出，石墨烯材料集多种优异性能于一体，是主导未来高科技竞争的超级材料，广泛应用于电子信息、新能源、航空航天以及柔性电子等领域，可极大推动相关产业的快速发展和升级换代，市场前景巨大，有望催生产业规模千亿元。

激光诱导石墨烯合成复合材料

激光诱导石墨烯（Laser-Induced Graphene，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。

研究聚焦于开发一种石墨烯-CuO亲水性复合材料，通过简单的激光诱导方法直接在涂有CuCl 2的聚酰亚胺薄膜上进行合成。复合材料的增强亲水性和分级结构形态显著提高了其输水性能，在1个太阳光照下，蒸发速率达到2.54 kg m-2h-1，蒸发效率高达91.1%。此外，该材料还展示了出色的海水淡化能力。这种石墨烯/CuO复合材料在海水淡化和废水处理应用中显示出巨大潜力，特别适用于偏远地区的清洁水资源挑战。创新的合成方法和复合材料的优异性能突显了其在ISSG系统中大规模实际应用的潜力。相关工作以“Laser-induced Porous Graphene/CuO Composite for Efficient Interfacial Solar Steam Generation”发表在国际期刊《 Advanced Functional Materials》

在海水淡化、废水处理等方面获得应用价值

预计本次材料有望在海水淡化、废水处理等方面获得应用，即能够作为已有海水淡化技术的补充手段，为偏远的离网地区提供获得淡水的廉价方式。

与此同时，界面水蒸发还有望在海洋漂浮农场获得应用，为海水农场提供持续的灌溉水资源。

据介绍，太阳能界面水蒸发于 2014 年被首次提出，其利用光热层将吸收的太阳光转换成热能，并能用于加速水的蒸发。通过将热量局域在界面水层处，可以获得将近 100% 的“光-蒸汽”转换效率。界面水蒸发在海水淡化、废水处理、能量捕获等方面具有巨大的应用前景。

中山大学余树东助理教授和团队造出石墨烯光热涂层

作为一种优异的光热转换材料，石墨烯材料在太阳能界面蒸发方面的应用十分广泛。

但是，传统的石墨烯制备步骤繁琐、成本高昂。激光诱导石墨烯，则能极大解决这一问题。要想将石墨烯用于界面蒸发领域，必须解决亲水性这一关键问题。

几年前在德国卡尔斯鲁厄理工学院联培读博期间，余树东主要研究光功能结构制造、及其在光电器件中的应用。在那期间，他曾经开展过太阳能电池的相关研究。

2019 年博士毕业之后，余树东在华南理工大学从事博士后研究。期间，他开始接触到太阳能界面蒸发。当时，他读到一篇发表于 Nature Energy 的综述论文。针对太阳能界面蒸发，论文里的相关描述吸引了他。

后来，他发现自己之前的研究经验可以迁移过来。而且，太阳能界面蒸发领域主要关注太阳能利用和纯净水生产。

在当前全球变暖和水资源匮乏的大背景下，太阳能水蒸发显得尤为有意义。

阅读大量论文之后，他撰写了两篇综述论文，先后发表在 Journal of Materials Chemistry A 和《机械工程学报》上，且都成为期刊的当期封面论文。

其中，发表在 Journal of Materials Chemistry A 上的论文，还入选了科睿唯安基本科学指标数据库（ESI，Essential Science Indicators）高被引论文。

在撰写综述论文的过程之中，他也发现太阳能界面蒸发依然存在几个待解决的核心问题：

其一，蒸发和产水速率需要进一步提升；

其二，需要解决盐分污染问题；

其三，亟需低成本和可规模化的制造方法。

作为一名有着机械工程背景的科研人员，他意识到制造方法将能针对前面两个问题起到重要作用。

这时，他注意到学界正在利用一种新型激光加工方法来制造石墨烯，并将石墨烯材料用于超级电容器和柔性传感器。

这让余树东意识到：激光诱导石墨烯是一种极具潜力的光热转换材料，很有希望用于太阳能界面蒸发器件。

后来，他在查询资料之后发现传统的石墨烯制造方法不仅繁琐复杂，而且成本高昂。

针对这一问题，学界并非没有行动。比如，一支美国团队曾提出利用激光加工的方法，在聚酰亚胺薄膜上诱导出薄层石墨烯。

这种简单高效的石墨烯制备新方法，很快便受到学界的青睐。而在了解相关背景之后，余树东购置了太阳光模拟器、精密天平等设备并启动相关研究。

期间，他在华南理工大学所指导的研究生于佳栋发现：激光诱导的石墨烯亲水性能不够出色，但是这个性能对于太阳能界面蒸发性能至关重要。

为此，他们继续调研文献，借此发现如果在石墨烯层上添加亲水性物质，就能有效解决这一问题。

然而，针对激光诱导的石墨烯进行二次修饰，存在一定的难度，同时效果也未必好。

为此，他们提出利用耦合金属盐前驱体的方法，在激光诱导石墨烯的同时，利用过程中产生的高温条件，来实现亲水性氧化物的生成。

随后，他们选用氯化铜来作为前驱体，并在激光的作用下，生成了石墨烯/氧化铜的复合材料。

在本次研究期间，余树东完成了在华南理工大学的博士后研究，随后入职中山大学。

独立建组之后，在中山大学的支持下他购置了更多设备。同时，也让自己的学生魏于钧复现了之前的实验，课题组的科研助理李威泓亦在仿真模拟上做出重要贡献。

基于本次研究，他们打算将激光诱导工艺应用在生物材料上，以期进一步降低器件的整体成本，同时也能更加符合绿色环保的理念。

此外，他们还打算探索太阳能界面蒸发器件，在水-电联产方面的可能性。

在利用激光诱导获得纯净水资源的同时还能生产电能，从而进一步拓展太阳能界面蒸发器件的应用范围。

文章来源： DeepTech深科技，光明网，高分子科学前沿