中科院上海光机所吴卫平AMT：纳秒激光直写图案化石墨烯用于高效太阳能光热界面蒸发
发布时间：
2021-12-03
创新点：中国科学院上海光学精密机械研究所吴卫平研究员课题组通过纳秒激光直写，实现了成型多孔碳材料的石墨烯转化，同时通过形成图案化微纳三维多孔结构，显著增强了材料对太阳光的吸收，实现了更有效的传质及热管理，标准太阳光下（1 kW m−2）水蒸发速率达1.74 kg m−2 h−1。
关键词：纳秒激光，多孔石墨烯，太阳能光热，界面蒸发
近年来，基于微观表界面效应及局域化热量调控理论，成功实现低能量密度太阳光的高效捕获并用于光热界面蒸发，为低碳清洁能源的捕获和高效利用提供了新的思路。纳米多孔碳材料具有宽光谱吸收能力和高比表面积等优势，是太阳能光热界面蒸发的理想材料，但已报道的碳材料仍然面临传质受限、光吸收转化效率低等方面的问题，难以用于更高效率的界面蒸发。
中国科学院上海光学精密机械研究所的吴卫平研究员课题组，针对这些问题，提出并实现了纳秒激光在生物质成型多孔碳表面直接制备图案化三维多孔石墨烯，并对其光热局域性界面蒸发进行了系统研究。通过纳秒激光在成型多孔碳表面扫描，使碳材料升华，形成了具有纳米结构的多孔石墨烯阵列，同时制备了太阳能光热蒸发器件，实现了增强的宽光谱吸收，太阳能转化效率达到98.7%，作为封面论文发表在Advanced Materials Technologies杂志上。
石墨烯具有高热导率、高电导率，高机械强度等方面的独特优势，正被广泛研究并逐渐应用于能源、光电器件、热管理、复合材料、防腐等领域，是一种非常具有应用潜力的二维材料。具有特殊形貌的图案化或者微纳阵列结构的多孔石墨烯，将进一步扩展其应用领域。中科院上海光机所研究团队利用纳秒激光表面扫描的方式，简单、高效、低成本实现了生物质碳到图案化多孔石墨烯的转变，形成有序石墨烯阵列结构，并采用同步辐射叠层X射线断层照相技术（Synchrotron X-ray ptychography）对材料的微纳结构进行了表征。经过激光处理的碳材料，表现出更高的光学吸收能力，能有效将光能吸收并限制在表面薄层并有助于更优的热量管理。此外，石墨烯具有的多孔疏松结构和高比表面积等特征，加速了水分子的传质和蒸发。纳秒激光处理碳这一新方法，实现了图案化多孔石墨烯的环保、低成本、高效制备，为高效率太阳能光热界面蒸发提供了新的解决方案。
文章来源：公众号【 AdvancedScienceNews】
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