近日，中科院上海光機所高功率激光元件技術與工程部吳衛(wèi)平研究員團隊采用飛秒激光結合模板法，構筑了內(nèi)部孔隙精準可控且獨立支撐的多孔石墨烯薄膜，在自支撐多孔碳薄膜表面構筑三維陣列化石墨烯微結構，實現(xiàn)了光譜理想吸收、光熱高效轉(zhuǎn)換和熱質(zhì)輸運有效調(diào)控等特性，相關研究成果“Freestanding Ultrathin Precisely Structured Hierarchical Porous Carbon Blackbody Film for Efficient Solar Interfacial Evaporation”發(fā)表在Solar RRL上，并入選期刊正封面。

太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)為低碳能源利用、海水淡化和礦物提煉等提供了新的策略，可以實現(xiàn)低密度太陽能的高效、可持續(xù)獲取和利用。微觀結構和表/界面設計是實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換、物質(zhì)傳導和熱管理之間平衡的重要途徑，但也是限制光熱界面蒸發(fā)效率的重要因素。

研究人員采用模板法，制備了具有可調(diào)諧納米孔的自支撐介孔碳薄膜，并將其用作太陽能光熱蒸發(fā)的黑體吸收層。通過SEM-FIB(Scanning Electron Microscope-Focused Ion Beam)三維重構和X射線疊層相干衍射成像(X-ray ptychography imaging)技術，系統(tǒng)研究了孔隙結構對界面蒸發(fā)的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，平均孔徑約為 300 nm 的分級多孔碳膜(厚度50 μm)表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱蒸發(fā)性能，蒸發(fā)速率可達到1.96 kg m?2 h?1。

圖1. (a) 高效太陽光熱界面蒸發(fā)的多孔石墨烯碳質(zhì)膜示意圖。(b) 光熱界面蒸發(fā)器件結構及蒸發(fā)過程示意圖。(c)柔性多孔石墨烯碳質(zhì)薄膜及飛秒激光加工區(qū)域的大面積(100 cm2)實物照片。(d) 飛秒激光加工后，多孔石墨烯碳質(zhì)薄膜表面形成的典型 “溝壑”特征的石墨烯形貌。

為了進一步提升光學吸收及轉(zhuǎn)換和熱質(zhì)輸運調(diào)控能力，研究小組通過飛秒激光直寫方式在碳薄膜表面構建了具備強疏水特性的石墨烯陣列。其中，紫外-可見光區(qū)域的光吸收達到99%以上，而近紅外區(qū)域也實現(xiàn)了97%左右的吸收特性，光熱蒸發(fā)速率進一步提高11%，達到2.12 kg m?2 h?1，實現(xiàn)了薄平面結構光熱蒸發(fā)器件的優(yōu)異性能。

該研究表明，短脈沖激光可用于高效制備三維石墨烯，并實現(xiàn)了內(nèi)部微結構和表面化學特性對微觀層面的光熱轉(zhuǎn)換、熱質(zhì)輸運等限域調(diào)控規(guī)律。此外，基于激光制備多孔石墨烯的微觀可控和優(yōu)異的熱學特性，有望拓展其在包括航空航天領域在內(nèi)的熱管理等方面的應用需求。

審核編輯：湯梓紅