【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光元件技術與工程部吳衛平研究員團隊采用飛秒激光結合模板法，構筑了內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，實現了光譜理想吸收、光熱高效轉換和熱質輸運有效調控等特性，相關研究成果“Freestanding Ultrathin Precisely Structured Hierarchical Porous Carbon Blackbody Film for Efficient Solar Interfacial Evaporation”發表在Solar RRL上，并入選期刊正封面。
太陽能驅動的界面蒸發為低碳能源利用、海水淡化和礦物提煉等提供了新的策略，可以實現低密度太陽能的高效、可持續獲取和利用。微觀結構和表/界面設計是實現光熱轉換、物質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效率的重要因素。
研究人員采用模板法，制備了具有可調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，系統研究了孔隙結構對界面蒸發的影響規律。研究發現，平均孔徑約為 300 nm 的分級多孔碳膜(厚度50 μm)表現出優異的光熱蒸發性能，蒸發速率可達到1.96 kg m−2 h−1。為了進一步提升光學吸收及轉換和熱質輸運調控能力，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-可見光區域的光吸收達到99%以上，而近紅外區域也實現了97%左右的吸收特性，光熱蒸發速率進一步提高11%，達到2.12 kg m−2 h−1，實現了薄平面結構光熱蒸發器件的優異性能。
該研究表明，短脈沖激光可用于高效制備三維石墨烯，并實現了內部微結構和表面化學特性對微觀層面的光熱轉換、熱質輸運等限域調控規律。此外，基于激光制備多孔石墨烯的微觀可控和優異的熱學特性，有望拓展其在包括航空航天領域在內的熱管理等方面的應用需求。
相關工作得到了國家重點研發計劃、中國科學院特別研究助理資助等項目的支持。
圖1 (a) 高效太陽光熱界面蒸發的多孔石墨烯碳質膜示意圖。(b) 光熱界面蒸發器件結構及蒸發過程示意圖。(c)柔性多孔石墨烯碳質薄膜及飛秒激光加工區域的大面積(100 cm2)實物照片。(d) 飛秒激光加工后，多孔石墨烯碳質薄膜表面形成的典型 “溝壑”特征的石墨烯形貌。
圖2 論文入選《Solar RRL》雜志封面
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