中大团队造出石墨烯光热涂层，有望用于海水淡化和废水处理

来源：DeepTech深科技

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。

具体来说，他们将耦合氯化铜，作为激光诱导的金属盐前驱体，利用激光加工聚酰亚胺薄膜这一方法，不仅获得了石墨烯，还生成了亲水性的氧化铜纳米颗粒。

借此制备出一种石墨烯/氧化铜复合材料，进而造出了这种亲水性的石墨烯光热涂层。

图 | 石墨烯/氧化铜复合材料激光诱导制备流程（来源：Advanced Functional Materials）

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。

图 | 太阳能界面蒸发器（来源：Journal of Materials Chemistry A）

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。

但是，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。

（来源：Nature Energy）

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。

图 | 余树东团队的相关综述论文（来源：Journal of Materials Chemistry A、《机械工程学报》）

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。

图 | 余树东在中山大学组建的团队（来源：课题组）

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。

参考资料：

1.Yu et al., Laser-Induced Porous Graphene/CuO Composite for Efficient Interfacial Solar Steam Generation. Adv. Funct. Mater. 2024, 2401149. https://doi.org/10.1002/adfm.202401149

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