近日，中科院上海光機所高功率激光元件技術(shù)與工程部吳衛(wèi)平研究員團隊采用飛秒激光結(jié)合模板法，構(gòu)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(gòu)筑三維陣列化石墨烯微結(jié)構(gòu)，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(guān)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(jié)構(gòu)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(gòu)和X射線疊層相干衍射成像(X-ray ptychography imaging)技術(shù)，系統(tǒng)研究了孔隙結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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