中国科学院上海光机所在飞秒激光制备多孔石墨烯及其应用方面取得进展

2023-12-14 16:51

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光元件技术与工程部吴卫平研究员团队采用飞秒激光结合模板法，构筑了内部孔隙精准可控且独立支撑的多孔石墨烯薄膜，在自支撑多孔碳薄膜表面构筑三维阵列化石墨烯微结构，实现了光谱理想吸收、光热高效转换和热质输运有效调控等特性，相关研究成果“Freestanding Ultrathin Precisely Structured Hierarchical Porous Carbon Blackbody Film for Efficient Solar Interfacial Evaporation”发表在Solar RRL上，并入选期刊正封面。

太阳能驱动的界面蒸发为低碳能源利用、海水淡化和矿物提炼等提供了新的策略，可以实现低密度太阳能的高效、可持续获取和利用。微观结构和表／界面设计是实现光热转换、物质传导和热管理之间平衡的重要途径，但也是限制光热界面蒸发效率的重要因素。

图1（a）高效太阳光热界面蒸发的多孔石墨烯碳质膜示意图。（b）光热界面蒸发器件结构及蒸发过程示意图。（c）柔性多孔石墨烯碳质薄膜及飞秒激光加工区域的大面积（100 cm2）实物照片。（d）飞秒激光加工后，多孔石墨烯碳质薄膜表面形成的典型“沟壑”特征的石墨烯形貌。

研究人员采用模板法，制备了具有可调谐纳米孔的自支撑介孔碳薄膜，并将其用作太阳能光热蒸发的黑体吸收层。通过SEM－FIB（Scanning Electron Microscope－Focused Ion Beam）三维重构和X射线叠层相干衍射成像（X－ray ptychography imaging）技术，系统研究了孔隙结构对界面蒸发的影响规律。研究发现，平均孔径为300 nm的分级多孔碳膜（厚度50μm）表现出优异的光热蒸发性能，蒸发速率可达到1．96 kg m^-2 h^-1。为了进一步提升光学吸收及转换和热质输运调控能力，研究小组通过飞秒激光直写方式在碳薄膜表面构建了具备强疏水特性的石墨烯阵列。其中，紫外－可见光区域的光吸收达到99％以上，而近红外区域也实现了97％左右的吸收特性，光热蒸发速率进一步提高11％，达到2．12 kg m＾－2 h＾－1，实现了薄平面结构光热蒸发器件的优异性能。

该研究表明，短脉冲激光可用于高效制备三维石墨烯，并实现了内部微结构和表面化学特性对微观层面的光热转换、热质输运等限域调控规律。此外，基于激光制备多孔石墨烯的微观可控和优异的热学特性，有望拓展其在包括航空航天领域在内的热管理等方面的应用需求。