在低温环境下，电池功率损失、传感器响应迟缓以及设备表面结冰等问题严重影响电子器件和工程装备的正常运行，因此，开发柔性、高效且能够在低电压下工作的热管理材料具有重要意义。激光诱导石墨烯（Laser-Induced Graphene，LIG）兼具良好的导电性、柔性以及较高的红外发射率，在焦耳加热和红外辐射热管理领域具有良好的应用潜力。然而，原始LIG中大量结构缺陷会限制载流子传输，使其低电压电热转换性能仍有进一步提升空间。另一方面，单原子掺杂能够从原子尺度调控石墨烯的缺陷电子态，但如何在三维多孔石墨烯网络中实现高密度、均匀且稳定的单原子锚定仍然面临挑战。
近日，中南大学银恺教授团队在国际知名期刊Nano Letters上发表题为 “Flash Laser Heating of Sn Single-Atom Reconstructed Graphene toward Multifunctional Thermal Management” 的研究论文。中南大学银恺教授为通讯作者，中南大学博士生何玉春为第一作者，论文第一单位为中南大学。
该工作提出了一种基于飞秒激光闪速加热的Sn单原子原位构筑策略，通过二次飞秒激光处理同步实现Sn前驱体分解、碳骨架重构以及Sn单原子锚定，制备得到Sn单原子锚定激光诱导石墨烯（Sn-SA@LIG）。Sn单原子的引入能够调控缺陷相关电子态并改善载流子传输，同时保留LIG三维多孔结构所赋予的高红外发射特性，从而实现高效焦耳加热与非接触式红外辐射加热。
研究采用两步飞秒激光加工策略：首先将PI原位转化为具有丰富缺陷的三维多孔LIG，随后引入SnCl₂前驱体并进行二次激光处理，同步实现前驱体分解、碳晶格重构和Sn单原子锚定。模拟表明，激光作用使材料表面快速升温至约2598 K并经历纳秒尺度淬冷，超快非平衡过程既促进碳骨架重构，又抑制Sn原子的迁移和团聚，为Sn单原子的稳定锚定提供动力学条件。
图1：飞秒激光闪速加热构筑Sn单原子重构激光诱导石墨烯
多尺度表征表明，Sn-SA@LIG保持了LIG的三维多孔碳骨架，AC-TEM和HAADF-STEM观察到高度分散的孤立Sn原子。优化后Sn-SA@LIG的方阻可降低至约31 Ω sq⁻¹，并在不同激光参数下均表现出优于RLIG的导电性能。理论计算进一步表明，Sn单原子能够调控缺陷相关电子态，部分恢复费米能级附近的电子态，从而改善载流子输运。
图2：Sn-SA@LIG的原子尺度结构及电子结构调控
Sn-SA@LIG表现出快速、稳定的低电压电热响应，优化样品在7 V下可达到约346.1 °C，电热温升系数约为204.64 °C·cm²·W⁻¹。同时，其在2–20 μm范围内保持高红外发射率，平均值达到96.22%。这种性能来源于Sn单原子增强的电子输运与三维多孔LIG骨架产生的红外多重散射和光俘获效应，实现了焦耳加热与红外辐射的协同增强。
图3：Sn-SA@LIG的低电压电热响应与宽波段红外发射性能
基于优异的电热和红外辐射性能，Sn-SA@LIG实现了接触式与非接触式热管理。在5 V驱动下，其可通过红外辐射在约3.4 min内融化1 cm³冰块；在−15 °C环境中，将其集成于智能手机电池后，可使电池维持在约15–20 °C，并使900 s内的充电能量由裸电池的约1.16 Wh提高至3.94 Wh，即达到裸电池的340%，展示了其在低温除冰和便携式电子设备热管理中的应用潜力。
图4：Sn-SA@LIG在低温环境中的接触式与非接触式热管理应用
总结
该研究提出了一种基于飞秒激光闪速加热的Sn单原子重构激光诱导石墨烯策略，利用超快升温与纳秒尺度淬冷过程，在重构LIG碳骨架的同时实现Sn单原子的原位稳定锚定。Sn单原子通过调控缺陷相关电子态改善载流子输运，而三维多孔LIG骨架则维持了优异的宽波段红外发射性能。优化后的Sn-SA@LIG具有约 204.64 °C·cm²·W⁻¹ 的电热温升系数和 96.22% 的平均红外发射率，并成功实现非接触式除冰及−15 °C条件下的电池辅助热管理。该工作将超快激光制造、单原子工程与柔性热管理相结合，为单原子掺杂碳材料的快速原位制造以及极端低温环境下的多功能热管理提供了新的技术路径。
论文信息
Yuchun He, Kai Yin*, Lingxiao Wang, Tingni Wu, Jianqiang Xiao, Ji-An Duan, Sergey Makarov.Flash Laser Heating of Sn Single-Atom Reconstructed Graphene toward Multifunctional Thermal Management. Nano Letters, 2026.
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c03400.
本文来自高分子科技，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
