章瀟慧 于浩然

光熱轉(zhuǎn)換材料用于產(chǎn)生蒸汽，可用于發(fā)電、滅菌，解決水污染、海水淡化、能源短缺等關(guān)鍵問題。其中最核心的環(huán)節(jié)是選擇合適的光熱轉(zhuǎn)換材料，將光能高效地轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝璧臒崮?。本文介紹了不同材料的光熱轉(zhuǎn)換機理，綜述了近年來光熱轉(zhuǎn)換材料用于產(chǎn)生蒸汽的研究和設(shè)計，闡述了光熱轉(zhuǎn)換體系未來的研究發(fā)展趨勢，對光熱轉(zhuǎn)換材料用于蒸汽產(chǎn)生的理解和發(fā)展具有重要的總結(jié)和指導(dǎo)意義。

1 概述

如今，全球都面臨環(huán)境污染、水污染、能源短缺等問題，這些問題使得低成本、高效的開發(fā)、利用新能源和環(huán)保能源成為迫切需求。太陽能對人類而言是取之不盡用之不竭的，利用太陽能產(chǎn)生蒸汽可用于污水處理[1]、海水淡化[2]、蒸汽發(fā)電[3]等眾多領(lǐng)域，而且太陽能已經(jīng)被應(yīng)用于光伏[4]、光催化[5]等眾多產(chǎn)業(yè)，是可以部分替代傳統(tǒng)化石燃料的理想能源。

目前，產(chǎn)業(yè)化利用太陽能產(chǎn)生蒸汽主要依靠太陽光對水體直接輻照，水體吸收光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿a(chǎn)生蒸汽。此過程伴隨著各種能量損耗和能量散失，轉(zhuǎn)換效率極低，往往需要各種光匯聚和真空輔助設(shè)備，這樣不僅增加了轉(zhuǎn)換成本，而且降低了效益。因此，開發(fā)低成本、高效的光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有極大的經(jīng)濟效益和社會效益。

目前對光熱轉(zhuǎn)換材料的研究，主要集中在納米流體和水氣界面材料。納米流體是指將光熱顆粒材料，如金納米顆粒（Au nanoparticle，AuNP），分散在水中，通過光熱轉(zhuǎn)換對水體加熱產(chǎn)生蒸汽；水氣界面材料是指二維或三維的光熱材料，可以自漂浮在水氣界面，通過光熱轉(zhuǎn)換對材料表面的水層加熱產(chǎn)生蒸汽。不論是納米流體，還是水氣界面材料，負(fù)責(zé)實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換功能的材料，主要包括金屬材料、碳材料和半導(dǎo)體材料3種。它們有著不同的工作機理和特點，對其研究也較為深入。

本文沿著納米流體——二維水氣界面材料——三維水氣界面材料的脈絡(luò)，綜述了光熱轉(zhuǎn)換材料用于產(chǎn)生蒸汽的全面研究進展，介紹了不同材料的光熱轉(zhuǎn)換原理、光熱轉(zhuǎn)換效率和光熱轉(zhuǎn)換影響因素。

2 光熱轉(zhuǎn)換機理

2.1 光熱轉(zhuǎn)換原理

金屬材料具有許多用于熱轉(zhuǎn)換的可移動電子，具有獨特的等離子體共振效應(yīng)，是金屬結(jié)構(gòu)上發(fā)生的獨特現(xiàn)象。當(dāng)入射光的頻率與金屬中離域電子震蕩頻率相匹配時，電子會被集體激發(fā)產(chǎn)生共振，振動的電子由于阻尼作用將動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，局部熱量升高，通過熱傳導(dǎo)實現(xiàn)金屬材料溫度升高并向周圍擴散。

碳材料主要包括sp2和sp3雜化，具有密度高且疏松π電子云，能級非常接近，具有較寬的可見光吸收范圍，可見光中絕大部分能量的光子都能被電子吸收從而使本身處于激發(fā)態(tài)；激發(fā)態(tài)的電子回落至基態(tài)時放出熱量，從而使局部溫度升高，并向周圍的材料和環(huán)境擴散。

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料能隙較寬，需要吸收能量較高的入射光，如紫外光，才能將電子激發(fā)，并在回落至基態(tài)過程中放出熱量（圖1）。隨著半導(dǎo)體材料研究不斷深入，具有窄能隙的黑色半導(dǎo)體材料不斷被發(fā)現(xiàn)，如黑色的二氧化鈦（TiO2）和三氧化二鈦（Ti2O3）等，吸收可見光即可以激發(fā)電子放熱，大大拓展了半導(dǎo)體材料在光熱轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用。

2.2 光熱轉(zhuǎn)換效率

總的光熱轉(zhuǎn)換效率包括蒸汽轉(zhuǎn)換效率η蒸汽和水體吸收光照升溫η水體兩部分組成。其中，C是水的比熱容，m是水體質(zhì)量， T是水體升高的溫度?？偟墓鉄徂D(zhuǎn)換效率η總常用于納米流體等非界面材料效率計算。

2.3 影響光熱轉(zhuǎn)換的因素

影響光熱轉(zhuǎn)換效率的因素主要有3個方面。

第一，材料的光吸收范圍和光熱性能。材料光吸收范圍越大，光熱性能越好，則光熱轉(zhuǎn)換效率越高。最典型的是傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料和具有窄能隙的黑色半導(dǎo)體材料，如傳統(tǒng)TiO2和黑色的TiO2與Ti2O3之間的對比。傳統(tǒng)的白色TiO2具有較寬能隙，一般大于3eV，只能受紫外光激發(fā)進行光熱轉(zhuǎn)換；而逐漸發(fā)展而來的TiO2與Ti2O3通過摻雜的方式，大大縮窄了能隙寬度，可至0.1eV，材料的顏色也受摻雜和氧含量影響改變，可實現(xiàn)由白色向黑色的轉(zhuǎn)變，可見光即能對其電子實現(xiàn)激發(fā)，從而產(chǎn)生熱效應(yīng)。

第二，隔熱性能。二維水氣界面材料向三維水氣界面材料的發(fā)展，主要受隔熱性能的影響。二維材料較薄，難以達(dá)到良好隔熱效果；三維材料是將二維材料制作成三維體材料，或者在二維材料基礎(chǔ)上外加低導(dǎo)熱系數(shù)的隔熱材料，較二維材料有更好的隔熱效果，可以提高光熱轉(zhuǎn)換效率。

第三，水的運輸通路。對二維水氣界面材料而言，通過控制材料的密度和材料表面的親疏水性，使材料漂浮在水氣界面，并能夠維持表層始終有較薄的水層與光熱材料的加熱區(qū)直接接觸；而對三維體系而言，大都需要通過微通路、微管道，利用毛細(xì)作用實現(xiàn)水自下而上的運輸，水是否能夠有效的及時運輸，是否能夠與光熱材料的加熱區(qū)直接、及時的接觸，這些都會對體系的轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生較大影響。

3 光熱材料研究進展

3.1 非界面材料

光熱材料用于蒸汽產(chǎn)生的研究，其加熱方式起始于對整個水體進行加熱，從而產(chǎn)生水蒸氣。這種方式最貼近生活應(yīng)用，比如應(yīng)用較大體積的銅板進行光熱轉(zhuǎn)換[7]。由于銅板無法維持在水—氣界面，所以沉入水體底部，利用等離子體共振效應(yīng)產(chǎn)生的熱量對整個水體進行加熱。Fan等為提高轉(zhuǎn)換效率，用激光處理銅板表面，使其具有花椰菜狀的形貌，賦予銅板吸收更寬波長和更大角度入射光的能力，在1kW/m2光強下實現(xiàn)了η蒸汽=60%的蒸汽轉(zhuǎn)換效率。

在早期的非界面材料研究中，對納米流體的研究是最廣泛的。其中最典型的，將貴金屬納米顆粒分散在水溶液中，通過貴金屬顆粒等離子體共振效應(yīng)進行光熱轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對水體的加熱。如Wang等將AuNP分散在水溶液中，在10kW/m2的太陽光強下實現(xiàn)η總=65%的轉(zhuǎn)換效率[8]；Amjad等在AuNP納米流體280個標(biāo)準(zhǔn)太陽光強（1標(biāo)準(zhǔn)太陽光強=1kW/m2）下實現(xiàn)了η總=95%的轉(zhuǎn)換效率[9]。除貴金屬顆粒外，碳材料也被應(yīng)用于納米流體的研究，如炭黑、碳納米管、石墨烯等等。Ni等在2015年發(fā)表在Nano Energy中的一項研究，比較分析了炭黑、石墨化炭黑和石墨烯3種納米流體光熱轉(zhuǎn)換的表現(xiàn)[10]。在10個標(biāo)準(zhǔn)太陽光強下，石墨烯和石墨化炭黑表現(xiàn)出了η蒸汽=69%的轉(zhuǎn)換效率，而炭黑的效率則稍低。此外，這篇文章中還提出了比較新穎的納米流體結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖2）。在具有2個同心圓結(jié)構(gòu)的圓管中，中間部分是用于產(chǎn)熱的納米流體，外部是負(fù)責(zé)減少熱量散失的凝膠，納米流體產(chǎn)生的熱量通過熱電偶輸送到水體中。相較簡單的將納米顆粒分散在水中，這種設(shè)計表現(xiàn)出更好的可操作性。

Fu等人同時應(yīng)用貴金屬顆粒和碳材料，將AuNP分散在氧化石墨烯（GO）的水溶液中形成納米流體[11]，在16.77個標(biāo)準(zhǔn)太陽光強下實現(xiàn)了η蒸汽=59.2%的轉(zhuǎn)換效率，水蒸發(fā)速率19.8kg/（m2·h）。當(dāng)納米流體應(yīng)用于污水處理時，納米顆粒無法收集、取出，可能會產(chǎn)生二次污染；當(dāng)應(yīng)用于海水淡化時，海水飽和后，納米粒子無法收集會限制循環(huán)、便捷的使用，于是衍生出對磁性納米流體的研究。Shi等用碳納米管修飾四氧化三鐵（Fe3O4）納米粒子，得到磁性Fe3O4@CNT納米顆粒[12]。在10個標(biāo)準(zhǔn)太陽光強下，含有0.5g/L Fe3O4@ CNT的納米流體實現(xiàn)η蒸汽=60.3%的轉(zhuǎn)換效率；類似的，Wang用還原氧化石墨烯（rGO）對Fe3O4進行修飾，在1kW/m2的輻照下實現(xiàn)η蒸汽=70%的轉(zhuǎn)化效率，且以上2項研究都可以通過外加磁場對納米顆粒進行回收[13]。Hogan等發(fā)現(xiàn)之所以納米流體在遠(yuǎn)低于液體沸點時依然能產(chǎn)生蒸汽，是由于分散的納米顆粒光散射介導(dǎo)的集體效應(yīng)，可以減少入射光向水體深處的滲透，從而使入射光保持較短光程，實現(xiàn)納米流體表面部分溫度升高[14]。傳統(tǒng)納米流體由于對整

個水體進行加熱，使蒸汽產(chǎn)生效率嚴(yán)重受限。在對水體加熱過程中，真正對產(chǎn)生蒸汽有貢獻的熱量集中在溶液表層，實現(xiàn)對表層溶液的集中加熱，理論上可以得到較高的η蒸汽效率?；诖?，Zhao等在AuNP納米流體中特意加入聚苯乙烯納米顆粒作為散射體系，實現(xiàn)納米流體中加熱體系和散射體系的分離，研究這種體系對水體表層加熱的影響[15]。這種對表層水集中局部加熱的研究發(fā)展思路，使得水—氣界面材料應(yīng)運而生。

3.2 水——氣界面材料

傳統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換材料，如貴金屬和碳材料，應(yīng)用于納米流體實現(xiàn)對整個水體的加熱，蒸汽產(chǎn)生效率低，且納米粒子二次污染和循環(huán)利用限制其應(yīng)用。水—氣界面材料的產(chǎn)生，起源于希望將光熱轉(zhuǎn)換的熱量集中于水體表層，實現(xiàn)高效利用熱量產(chǎn)生水蒸氣。水—氣界面材料的出現(xiàn)，不僅突破了納米流體轉(zhuǎn)換效率的局限，而且杜絕了二次污染，使循環(huán)利用更加可控。

3.2.1 二維水——氣界面材料

Wang等在水氣界面得到AuNP自組裝薄膜，薄膜可以漂浮在水氣界面，并在材料表層維持一層薄薄的水層[16]。當(dāng)水層受等離子體共振效應(yīng)加熱蒸發(fā)，薄膜下方的水可以通過毛細(xì)作用不斷向上運輸，維持AuNP薄膜表面的水層，并保持下方水體較低的溫度；他們在532nm的激光光源下得到η蒸汽=44%的轉(zhuǎn)換效率。Bae等以陽極氧化鋁為模板，輔助以化學(xué)刻蝕的方法制備了有多種結(jié)構(gòu)，包括溝槽（0～200nm）和微管道的黑色金薄膜[17]。微槽結(jié)構(gòu)使得薄膜可以吸收91%的來自400～2 500nm波長的入射光，微管道則保證了水自下而上的輸送，在20kW/m2的光強下實現(xiàn)了η蒸汽=57%的轉(zhuǎn)換效率。同樣是利用貴金屬材料，上海交通大學(xué)鄧濤團隊在無塵紙上吸附AuNP，得到無塵紙作為基底的AuNP薄膜[18]。無塵紙是紡織狀的多孔親水材料，具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)〔0.03～0.05W/（m·K）〕，作為基底可以漂浮在水—氣界面上，不斷輸送水到界面并減少熱量散失，該材料在4.5kW/m2的光強下η蒸汽=77.8%。與之相似的研究，在濾紙基底上沉積AuNP，10kW/m2光強下η蒸汽最高可達(dá)85%，水蒸發(fā)速率11.8kg/（m2·h）[19]。對貴金屬材料而言，利用純粹的機械或化學(xué)方法制備特殊微納形貌非常繁瑣困難，利用仿生方法卻可以直接制備具有特殊形貌的貴金屬薄膜。比如以Troides helena蝴蝶翅膀為仿生模板制備的Au-CuS薄膜，在300～2 500nm波長范圍內(nèi)可實現(xiàn)98%的光吸收，類似蝴蝶翅膀的亞微結(jié)構(gòu)使薄膜具有減小光反射的能力，在近紅外波段η蒸汽為30.56%，并使體系維持在較低的溫度（小于60℃）[20]；類似的，他們還制備了以Troides helena蝴蝶翅膀為仿生模板的碳化銀薄膜，并研究了其紅外光吸收表現(xiàn)[21]。

碳材料用作二維水氣界面材料也有廣泛的研究，包括碳基底和碳涂層的界面材料。碳的涂層材料，如聚吡咯（Polypyrrole，PPy），已具備簡單、成熟、可控的涂層工藝，材料本身擁有較寬的光波吸收能力，在多孔不銹鋼薄膜表面沉積PPy，再用氟硅烷修飾以達(dá)到理想的疏水性，可使薄膜漂浮在水氣界面，在1個標(biāo)準(zhǔn)太陽光強下蒸汽轉(zhuǎn)換效率η蒸汽=58%，水蒸發(fā)速率0.92kg/（m2·h）[22]。碳基底材料，如石墨烯基材料，擁有優(yōu)越的光熱應(yīng)用能力，能耐受強酸、強堿等極端環(huán)境；利用GO溶液，冷凍干燥得到GO氣凝膠，經(jīng)光還原得到石墨烯氣凝膠，材料孔隙率高，隔熱性能良好，在1kW/m2和10kW/m2的光強下η蒸汽分別為53.6%和 82.7%[23]；Wang等人以聚乙烯亞胺（Polyethyleneimine，PEI）作交聯(lián)劑，將GO薄膜交聯(lián)在混合纖維素酯（mixed cellulose seters，MCE）表面，得到GO—MCE雙層結(jié)構(gòu)，經(jīng)抗壞血酸還原后轉(zhuǎn)變?yōu)閞GO（reduced graphene oxide，rGO）—MCE雙層多孔薄膜，在1kW/m2光強下蒸汽轉(zhuǎn)換效率η蒸汽約60%，4kW/m2光強下為71.8%[24]。平面材料在接受光照時，會不可避免的產(chǎn)生5%～10%的光反射，所以垂直排列的石墨烯薄膜被制備出來（圖3），具有類似黑體的能力，能盡量減小材料表面光反射損失[25]。在這種垂直排列設(shè)計下，薄膜在 1kW/m2和4 kW/m2光強下η蒸汽可達(dá)86.5%和94.2%，水蒸發(fā)速率分別為1.62kg/（m2·h）和6.25kg/（m2·h），表現(xiàn)出優(yōu)越的光熱轉(zhuǎn)換能力；相似的，垂直排列黑色碳納米管在15個標(biāo)準(zhǔn)太陽光強下蒸汽轉(zhuǎn)換效率達(dá)90%，可吸收99%可見光，展現(xiàn)出類似黑體的光吸收能力[26]。

半導(dǎo)體材料，比如鈦，自然界中儲備較豐富，且鈦的氧化物由于具有光催化能力，已被廣泛研究；但作為光熱材料，鈦的氧化物能隙較寬（約3.0eV），僅對紫外光波段具有吸收能力；近年來，具有更窄能隙的黑色鈦氧化物不斷被發(fā)現(xiàn)，也使其作為光熱轉(zhuǎn)換材料的研究不斷深入[27]；如帶有牢籠結(jié)構(gòu)的黑色T i O2薄膜，對入射光有誘捕作用（見表1）；4～10nm的孔徑可實現(xiàn)水的運輸，并使薄膜下水體維持較低溫度，在1個標(biāo)準(zhǔn)太陽光強（1sun）下蒸汽轉(zhuǎn)換效率為70.9%[28]。Yi用黑色TiO2和Al粉末得到黑色無定型Al-Ti-O雜化薄膜，并以多孔聚偏氟乙烯（P V D F）薄膜作為載體支撐，可以漂浮在水氣界面；黑色的A l - T i - O結(jié)構(gòu)光吸收能力覆蓋太陽光譜的90.32%，在1個標(biāo)準(zhǔn)太陽光強下蒸汽轉(zhuǎn)換效率為77.52%，水蒸發(fā)速率為1.24kg/（m2·h）[29]。

3.2.2 三維水—氣界面材料

二維水氣界面材料以薄膜為主，漂浮在水氣界面時，由于材料較薄，很難達(dá)到良好的減少熱傳遞效果。制備三維材料或外加低導(dǎo)熱系數(shù)的支撐體系，可以讓材料漂浮在水氣界面，三維體系的微管道是毛細(xì)運輸通道，更重要的是可以有效減少熱對流和熱散失，提高蒸汽轉(zhuǎn)換效率[32]。

三維材料與二維相似，其光熱轉(zhuǎn)換材料主要包括金屬、碳材料和半導(dǎo)體。金屬材料等離子體共振效應(yīng)表現(xiàn)出優(yōu)越的光熱轉(zhuǎn)換能力，始終是研究的熱點。利用冷凍干燥法制備細(xì)菌纖維素泡沫（bacterial nanocellulose，BNC），具有極高的孔隙率，能自漂浮在水氣界面；用AuNP對BNC進行修飾，得到AuNP—BNC氣凝膠，比單純的BNC氣凝膠和二維貴金屬薄膜表現(xiàn)出更好的蒸汽轉(zhuǎn)換效率，在808nm 51 kW/m2光強下蒸汽轉(zhuǎn)換效率為76.3%[33]；相似的，修飾有不同粒徑AuNP的Al2O3，孔隙率大于40%，可以自漂浮在水氣界面并有良好的水運輸，在400nm～10μm可見光和近紅外波段表現(xiàn)出99%的光吸收，4 kW/m2光強下蒸汽轉(zhuǎn)換效率可達(dá)90%[34]；載有AuNP的濾紙，以具有微通路PDMS作為支撐材料，表現(xiàn)出良好的隔熱作用，在10 kW/m2光強下蒸汽轉(zhuǎn)換效率可達(dá)89%，在自然光（光強約0.9 kW/m2）照射下水蒸發(fā)速率可達(dá)0.97kg/（m2·h），自然條件下蒸汽轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)79%，表現(xiàn)出良好的實際應(yīng)用能力[35]。除AuNP外的其他金屬材料也有一定的研究。如Hua將層狀磷酸銅與PDMS結(jié)合，808nm 1 kW/m2光強下蒸汽轉(zhuǎn)換效率為63.6%，光強在1～2 kW/ m2范圍內(nèi)時水蒸發(fā)速率在1.13—1.85 kg/（m2·h）[36]；Yao等制備出鉍銦三硒包被的多孔鎳泡沫合金材料（BilnSe3@NF），在1sun下水蒸發(fā)速率為0.83kg/（m2·h），是沒有材料狀態(tài)下的2.5倍，合金材料能60天維持穩(wěn)定工作[37]。

在三維水氣界面材料中，研究最為豐富的是碳材料，包括直接以碳材料作為基底和作為涂層的材料，普遍表現(xiàn)出相當(dāng)好的蒸汽轉(zhuǎn)換效率。以膨脹石墨作為光吸收層、碳泡沫作為支持材料組成的雙層結(jié)構(gòu)，具有極高的孔隙率，在10 kW/m2的光強下蒸汽轉(zhuǎn)換效率可達(dá)85%[38]（圖4）。

石墨涂層的PDMS材料，內(nèi)部具有三維的微管道，不依靠輔助設(shè)備的條件下，在1～50sun下可以產(chǎn)生100～156℃，100～525kPa的高壓蒸汽，可用于發(fā)電、滅菌等，有可觀的應(yīng)用前景[（3]圖5）；具有連續(xù)孔徑通路的石墨烯泡沫材料，由垂直排列的石墨烯陣列組成，對各角度的入射光有誘捕作用，在1～5 kW/m2的入射光強下蒸汽產(chǎn)生效率高達(dá)91.4%[39]。相較于大部分材料注重結(jié)構(gòu)設(shè)計對蒸發(fā)效率的影響，Yang研究了親水基團對蒸發(fā)效率的影響，發(fā)現(xiàn)親水基團功能化的石墨烯在1sun下蒸發(fā)效率比化學(xué)還原氧化石墨烯提高了10%，認(rèn)為是由于表面效應(yīng)使材料更加親水，毛細(xì)作用在表面形成更薄的水層，使蒸發(fā)效率更高，材料在3.6sun下可達(dá)81%的蒸汽轉(zhuǎn)化效率[40]；而Yu等人的研究則認(rèn)為對蒸汽產(chǎn)生效率影響最大的是支撐材料底面的親疏水性質(zhì)，而表層光熱轉(zhuǎn)換材料的親疏水性對蒸汽產(chǎn)生效率沒有影響，親水的底面可以提供更高、更穩(wěn)定的蒸汽轉(zhuǎn)化效率[41]。Li等人將提升蒸汽轉(zhuǎn)換效率的目標(biāo)放在改善運輸水路上，用纖維素薄膜作為二維水路，包裹聚苯乙烯（PS）泡沫，與GO薄膜構(gòu)成光熱轉(zhuǎn)換體系，在1sun下蒸汽轉(zhuǎn)換效率為80%[42]；之后他們的一項工作中用市售的吸水棉棒作為運輸水路，并將平整的GO薄膜折成傘狀減少熱量散失，與PS泡沫一并組成體系，在1sun下蒸汽轉(zhuǎn)換效率提高至85%[43]。應(yīng)用rGO作為光熱接收器與其他材料組成三維體系的研究也非常豐富。例如將rGO-無塵紙薄膜與多孔硅基絕緣體組成三維光熱體系，在1個標(biāo)準(zhǔn)太陽光強下蒸汽轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)89.7%，整個過程的平均蒸汽轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80.6%，表現(xiàn)相當(dāng)穩(wěn)定[44]；將rGO—濾紙薄膜，水輸送管道，隔熱材料組合形成三維光熱體系，在薄膜含有60mg rGO和1sun輻照下，體系的蒸汽轉(zhuǎn)換效率為89.2%，與rGO—無塵紙體系效率非常接近[45]；具有微管道的三維聚氨酯（PU）與rGO薄膜交聯(lián)，組成三維體系，具有微管道的三維PU起到水輸送和隔熱的作用，體系在1～10sun下，蒸汽轉(zhuǎn)換效率分別為65%和81%，水蒸發(fā)速率分別為0.9 kg/（m2·h）和11.24 kg/（m2·h）[46]；相似的，rGO薄膜與PS泡沫結(jié)合形成三維光熱體系，1sun下蒸汽轉(zhuǎn)換效率為83%，水蒸發(fā)速率為1.31 kg/（m2·h）[47]；Hu等將GO，海藻酸鈉（SA）和碳納米管（CNT）共混后冷凍干燥，之后部分還原得到多孔的rGO-SACNT三維氣凝膠，在1sun下蒸汽轉(zhuǎn)換效率為83%，水蒸發(fā)速率為1.662 kg/（m2·h）[48]；同樣是三維多孔氣凝膠，Jiang等用生物化學(xué)、自組裝和冷凍干燥的辦法制備rGO-BNC三維氣凝膠，在10sun下蒸汽轉(zhuǎn)換效率為83%，水蒸發(fā)速率為11.8 kg/（m2·h）[49]；在此之后，同樣是這組研究人員，把聚多巴胺（polydopamine，PDA）顆粒，與PPy類似的具有良好的光吸收和光熱轉(zhuǎn)換能力的材料，裝載在BNC泡沫中形成三維體系，分別在1sun和3sun下實現(xiàn)78%和82%的蒸汽轉(zhuǎn)換效率，水蒸發(fā)速率分別為1.13 kg/（m2·h）和3.47 kg/（m2·h）[50]。除此之外，還有讓人眼前一亮的幾項研究：沸石催化劑中形成的微孔焦炭，具有碳化表面和多孔結(jié)構(gòu)，在2sun下實現(xiàn)了72%的蒸汽轉(zhuǎn)換效率[51]；Liu等在木材表面添加GO涂層，木材既具有良好的隔熱作用〔導(dǎo)熱系數(shù)約0.33W/（m·K）〕，又能實現(xiàn)水由下而上的運輸，由此得到具有雙層結(jié)構(gòu)的三維體系，在12 kW/m2的光強下實現(xiàn)了83%的蒸汽轉(zhuǎn)換效率[52]；同樣使用木材作為基底材料，Xue等人用火焰處理木材的上表面達(dá)到碳化效果，在1 kW/m2光強下蒸汽轉(zhuǎn)換效率為72%，3 kW/m2光強下效率可提升至81%，2種入射光強下水蒸發(fā)速率分別為1.05 kg/（m2·h）和3.46 kg/（m2·h）[53]；南京大學(xué)朱嘉課題組則用蘑菇和碳化蘑菇作為光熱轉(zhuǎn)換材料，兩者在1sun下蒸汽轉(zhuǎn)換效率分別為62%和78%[54]；這些研究利用天然材料實現(xiàn)了不錯的光熱轉(zhuǎn)換效果，令人眼前一亮。

除貴金屬和碳材料外，利用其他材料構(gòu)建三維光熱轉(zhuǎn)換體系也有研究（表2）。比如利用陶瓷纖維棉和TiN顆粒構(gòu)建的光熱體系，在1sun下蒸汽轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%[55]；具有極窄能隙的Ti2O3（約0.1eV）納米顆粒，可吸收絕大部分可見光，與細(xì)菌纖維素構(gòu)建起三維光熱體系，在1sun下蒸汽轉(zhuǎn)換效率高達(dá)92%，水蒸發(fā)速率為1.32 kg/（m2·h），是半導(dǎo)體應(yīng)用于光熱轉(zhuǎn)換的重大突破[56]。

4 結(jié)語

本文闡述了光熱轉(zhuǎn)換材料的分類、工作機理、工作效率和影響因素，全面梳理了光熱轉(zhuǎn)換材料用于產(chǎn)生蒸汽的研究脈絡(luò)和最新的研究進展。隨著二維和三維水氣界面材料的出現(xiàn)，表面局部加熱的研究思路已經(jīng)基本取代了納米流體整體加熱的思路設(shè)計[58]，成為研究的主流。從綜述的研究現(xiàn)狀來看，金屬材料、碳材料和半導(dǎo)體材料中，較好的研究設(shè)計都能實現(xiàn)80%，甚至90%以上的蒸汽轉(zhuǎn)換效率，更高的轉(zhuǎn)換效率難以實現(xiàn)且沒有太大意義，研究發(fā)展趨勢正逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷鉄徂D(zhuǎn)換所產(chǎn)生的蒸汽進行應(yīng)用以及集多種功能于一體的光熱體系設(shè)計。比如將TiO2，AuNP，陽極氧化鋁（anodized aluminum oxide，AAO）3種結(jié)構(gòu)結(jié)合，達(dá)到光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生水蒸氣并光催化去除污染的能力[59]；利用rGO薄膜吸附污染物的能力，使rGO無塵紙體系同時具有蒸汽產(chǎn)生和去除污染的能力[60]；SiO2/Ag@TiO2殼核結(jié)構(gòu)光

熱收集器，同時具有產(chǎn)生蒸汽和氫氣的能力，高效利用光能得到水和清潔能源[61]；將載有碳納米管的濾紙與市售離子交換薄膜結(jié)合起來，在1sun下不僅實現(xiàn)了75%的蒸汽轉(zhuǎn)換效率，還利用材料表層水和下方水體的鹽度差，額外實現(xiàn)了1W/m2的發(fā)電[62]；應(yīng)用rGO—PTFE（聚四氟乙烯）自漂浮薄膜在光下產(chǎn)生的高溫蒸汽實現(xiàn)濕熱滅菌[63]；將AuNP薄膜用作光熱馬達(dá)，利用蒸汽推進材料在水氣界面運動，可產(chǎn)生16.75mm/s的速度[64]。在光熱體系蒸汽轉(zhuǎn)換效率已相當(dāng)高的背景下，這些集多種功能于一身的設(shè)計拓寬了光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生水蒸氣的單一思路，正逐漸成為該領(lǐng)域研究的發(fā)展趨勢。

時至今日，光熱轉(zhuǎn)換材料的效率已相當(dāng)可觀，但光熱轉(zhuǎn)換體系用于產(chǎn)生蒸汽依然面臨不少挑戰(zhàn)。比如如何高效收集蒸汽，如何低成本制備大面積或大體積光熱轉(zhuǎn)換材料，如何維持光熱轉(zhuǎn)換材料長期穩(wěn)定的工作，這些都是光熱轉(zhuǎn)換材料用于蒸汽產(chǎn)生產(chǎn)業(yè)化不可避免的問題。光熱轉(zhuǎn)換用于蒸汽產(chǎn)生，依然任重道遠(yuǎn)。

參考文獻

[1] MARINHO B A，CRISTOVAO R O，DJELLABI R，et al.Photocatalytic reduction of Cr（VI）over TiO2—coated cellulose acetate monolithic structures using solar light[J].Applied Catalysis B-Environmental，2017，203：8-30.

[2] ASKARI，I B，AMERI M，Solar RANKINE.C.（SRC） powered by Linear Fresnel solar field and integrated with Multi Effect Desalination（MED）system[J].Renewable Energy，2018，117：52—70.

[3] ZHANG Qian，XU Weilin，WAN Xianbao.Flexible artificially-networked structure for ambient/high pressure solar steam generation[J].Journal of Materials Chemistry A，2016，4（13）：4700—4705.

[4] Sehar Shakir，Hafiz M.Abd—ur—Rehman，et al.Fabrication of un—doped and magnesium doped TiO2 films by aerosol assisted chemical vapor deposition for dye sensitized solar cells[J].Journal of Alloys and Compounds，2018，737：740—747.

[5] DASHAIRYA L，SHARMA M，BASU S，et al.Enhanced dye degradation using hydrothermally synthesized nanostructured Sb2S3/rGO under visible light irradiation[J].Journal of Alloys and Compounds，2018，735：234—245.

[6] WANG Juan，LI Yangyang，LIN Deng，et al.，High-Performance Photothermal Conversion of Narrow-Bandgap Ti2O3 Nanoparticles[J].Adv Mater，2017，29（3）：1—5.

[7] FAN Peixun， ZHONG Minlin，ZHANG Hongjun，et al.Large-scale cauliflower-shaped hierarchical copper nanostructures for efficient photothermal conversion[J].Nanoscale，2016，8（30）：14617—14624.

[8] WANG Xinzhi，HE Yurong，LIU Xing，et al.Investigation of photothermal heating enabled by plasmonic nanofluids for direct solar steam generation[J].Solar Energy，2017，157：35—46.

[9] AMJAD M，RAZA G，XIN Yan，et al.Volumetric solar heating and steam generation via gold nanofluids[J].Applied Energy， 2017，206：393—400.

[10] GEORGE N，MILJKOVIC N，GHASEMI H，et al.Volumetric solar heating of nanofluids for direct vapor generation[J].Nano Energy，2015，17：290—301.

[11] FU Y，MEI T， WANG G，et al. Investigation on enhancing effects of Au nanoparticles on solar steam generation in graphene oxide nanofluids[J].Applied Thermal Engineering，2017，114：961—968.

[12] LEI Shi，HE Yurong，HUANG Yimin，et al.Recyclable Fe3O4@CNT nanoparticles for high-efficiency solar vapor generation[J]. Energy Conversion and Management，2017，149：401—408.

[13] WangXingqing，OU Gang，WANG Ning，et al.Graphene-based Recyclable Photo—Absorbers for High—Efficiency Seawater Desalination[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2016，8（14）： 9194—9199.

[14] HOGAN N JURBAN A S，CICERON A O.et al.Nanoparticles Heat through Light Localization[J].Nano Letters，2014.14（8）： 4640-4645.

[15] ZHAO Dengwu，DUAN Haoze，ZHANG Yao，et al.Enhancing Localized Evaporation through Separated Light Absorbing Centers and Scattering Centers[J].Sci Rep，2015（5）：17276.

[16] WANG Zhenhui，LIU Yangming，TAO Peng，et al.Bio-inspired evaporation through plasmonic film of nanoparticles at the air-water interface[J].Small，2014，10（16）：3234—3239.

[17] BAE K，KANG G，SUEHYUN K，et al.Flexible thin—film black gold membranes with ultrabroadband plasmonic nanofocusing for efficient solar vapour generation[J].Nat Commun，2015，（6）：10103.

[18] LIU Yangming，YU Shengtao，RUI Feng，et al.A bioinspired，reusable， paper—based system for high—performance large—scale evaporation[J].Adv Mater，2015，27（17）：2768—2774.

[19] WANG Xinzhi，HE Yurong，LIU Xing，et al.Solar steam generation through bio—inspired interface heating of broadbandabsorbing plasmonic membranes[J].Applied Energy，2017，195：414—425.

[20] TIAN Junlong，ZHANG Wang，GU Jiajun，et al.Bioinspired Au—CuS coupled photothermal materials： enhanced infrared absorption and photothermal conversion from butterfly wings[J].Nano Energy，2015，17：52—62.

[21] TIAN Junlong，ZHANG Wang，F(xiàn)ANG Xiaotian，et al.Coupling of plasmon and 3D antireflection quasi-photonic crystal structure for enhancement infrared absorption[J].Journal of Materials Chemistry C，2015，3（8）：1672—1679.

[22] ZHANG Lianbin，TANG Bo，WU Jinbo，et al.Hydrophobic Light—to—Heat Conversion Membranes with Self—Healing Ability for Interfacial Solar Heating[J].Advanced Materials，2015，27（33）：4889—4894.

[23] ZHU Zixu，JOSHI S，PELZ B，et al.Accessible Graphene Aerogel for Efficiently Harvesting Solar Energy[J].ACS Sustainable Chemistry & Engineering，2017，5（6）：4665—4671.

[24] WANG Gang，F(xiàn)U Yang，MA Xiaofei，et al.Reusable reduced graphene oxide based double—layer system modified by polyethylenimine for solar steam generation[J].Carbon，2017，114：117—124.

[25] ZHANG Panpan，LI Jing，LV Lingxiao，et al.Vertically Aligned Graphene Sheets Membrane for Highly Efficient Solar Thermal Generation of Clean Water[J].ACS Nano，2017，11（5）：5087-5093.

[26] ZHENG Quanshui，ZHANG Yingying.Extremely Black Vertically Aligned Carbon Nanotube Arrays for Solar Steam Generation[J].ACS Appl Mater Interfaces，2017，9（34）：28596—28603.

[27] CHEN Xiaobo，LIU Lei，YU Peter Y，et al，Increasing Solar Absorption for Photocatalysis with Black Hydrogenated Titanium Dioxide Nanocrystal[J]s.Science，2011，331（6018）：746—750.

[28] ZHU Guilian，XU Jijian，ZHAO Wenli，et al.Constructing Black Titania with Unique Nanocage Structure for Solar Desalination[J].ACS Appl Mater Interfaces，2016，8（46）：31716—31721.

[29] YI Luocai，CI Suqin，LUO Shengliao，et al.Scalable and low—cost synthesis of black amorphous Al—Ti—O nanostructure for high-efficient photothermal desalination[J].Nano Energy，2017，41：600—608.

[30] ZHANG LIANBIN，TANG Bo，WU Jinbo，et al.Hydrophobic Light—to—Heat Conversion Membranes with Self-Healing Ability for Interfacial Solar Heating[J].Adv Mater，2015，27（33）：4889—94.

[31] ZHANG Yingying，ZHENG Quanshui.Extremely Black Vertically Aligned Carbon Nanotube Arrays for Solar Steam Generation[J].ACS Applied Materials & Interfaces，2017，9（34）：p.28596—28603.

[32] MCENANCY K，WEINSTEIN L，KRAEMER D，et al.Aerogel—based solar thermal receivers[J].Nano Energy，2017，40：180-186.

[33] Tianlimei，LUAN Jingyi，LIU Kengku，et al.Plasmonic Biofoam：A Versatile Optically Active Material[J].Nano Lett， 2016，16（1）：609—16.

[34] ZHOU Lin，JI Dengxin，BIN Zhu，et al.Self—assembly of highly efficient，broadband plasmonic absorbers for solar steam generation[J].Science Advances，2016，2（4）：1501227

[35] JIANG Qisheng，LIU Kengku，TIAN Limei，et al.High-absorption recyclable photothermal membranes used in a bionic system for high—efficiency solar desalination via enhanced localized heating[J].Journal of Materials Chemistry A，2017，5（37）： 20044—20052.

[36] HUA Zhentao，LI Bing，LI Xiaoyu，et al.Designing a Novel Photothermal Material of Hierarchical Microstructured Copper Phosphate for Solar Evaporation Enhancement[J].The Journal of Physical Chemistry C，2016，121（1）：60—69.

[37] YAO J D，ZHENG Z Q，YANG G W.Alloying—assisted phonon engineering of layered BiInSe3@nickel foam for efficient solar—enabled water evaporation[J].Nanoscale，2017，9（42）：16396—16403.

[38] GHASEMI H，NI G，MARCONET M，et al.Solar steam generation by heat localization[J].Nat Commun，2014，5：4449.

[39] REN Huaying，TANG Miao，GUAN Baolu，et al.Hierarchical Graphene Foam for Efficient Omnidirectional Solar—Thermal Energy Conversion[J].Adv Mater，2017，29（38）：

[40] YANG Junlong，PANG Yunsong，HUANG Weixin，et al.Functionalized Graphene Enables Highly Efficient Solar Thermal Steam Generation[J].ACS Nano，2017，11（6）：5510—5518.

[41] YU Shengtao，ZHANG Yao，DUAN Haoze，et al.The impact of surface chemistry on the performance of localized solar—driven evaporation system[J].Sci Rep，2015，5：13600.

[42] LI Xiuqiang，XU Weichao，TANG Mingyao et al.Graphene oxide-based efficient and scalable solar desalination under one sun with a confined 2D water path[J].Proc Natl Acad Sci U S A，2016，113（49）：13953—13958.

[43] LI Xiuqiang，LIN Renxing，NI George，et al.Three—dimensional artificial transpiration for efficient solar waste-water treatment[J].National Science Review，2017，（10）：70—77

[44] WANG Zizhao，YE Qinxian，LIANG Xingbo，et al.Paper-based membranes on silicone floaters for efficient and fast solar—driven interfacial evaporation under one sun[J].Journal of Materials Chemistry A，2017，5（31）：16359—16368.

[45] GUO Ankang，MING Xin，F(xiàn)U Yang，et al.Fiber—Based，Double—Sided， Reduced Graphene Oxide Films for Efficient Solar Vapor Generation[J].ACS Appl Mater Interfaces，2017，9（35）：29958—29964.

[46] WANG Gang，F(xiàn)U Yang，GUO Ankang，et al.Reduced Graphene Oxide–Polyurethane Nanocomposite Foam as a Reusable Photoreceiver for Efficient Solar Steam Generation[J].Chemistry of Materials，2017，29（13）：5629—5635.

[47] SHI Le，WANG Yuchao，ZHANG Lianbin，et al.Rational design of a bi—layered reduced graphene oxide film on polystyrene foam for solar—driven interfacial water evaporation[J].Journal of Materials Chemistry A，2017，5（31）：6212—16219.

[48] HU Xiaozhen，XU Weichao，ZHOU Lin，et al.Tailoring Graphene Oxide—Based Aerogels for Efficient Solar Steam Generation under One Sun[J].Adv Mater，2017，29（5）：1604031

[49] JIANG Qisheng，TIAN Limei，LIU Kengku，et a.Bilayered Biofoam for Highly Efficient Solar Steam Generation[J].Adv Mater，2016，28（42） 9400—9407.

[50] JIANG Qisheng，TIAN Limei，LIU Kengku，et al.Polydopamine—filled bacterial nanocellulose as a biodegradable interfacial photothermal evaporator for highly efficient solar steam generation[J].Journal of Materials Chemistry A，2017，5（35）： 18397-18402.

[51] WANG Jianjian，LIU Zhaohui，DONG Xinglong，et al.Microporous cokes formed in zeolite catalysts enable efficient solar evaporation[J].Journal of Materials Chemistry A，2017，5（15）：6860—6865.

[52] LIU Kengku，JIANG S T，RALIYA R，et al.Wood-Graphene Oxide Composite for Highly Efficient Solar Steam Generation and Desalination[J].ACS Appl Mater Interfaces，2017，9（8）：7675—7681.

[53] XUE Guobin，LIU Kang，CHEN Qian，et al.Robust and Low—Cost Flame-Treated Wood for High—Performance Solar Steam Generation[J].ACS Appl Mater Interfaces，2017，9（17）：15052—15057.

[54] XU Ning，HU Xiaozhen，XU Weichao，et al.Mushrooms as Efficient Solar Steam—Generation Devices[J].Adv Mater， 2017，29（28）：1606762

[55] KAUR M，ISHII S，LAXMAN S，et al，All—Ceramic Microfibrous Solar Steam Generator：TiN Plasmonic Nanoparticle-Loaded Transparent Microfibers[J].ACS Sustainable Chemistry & Engineering，2017，5（10）：8523—8528.

[56] ZHOU Lin，TAN Yingling，WANG Jingyang，et al.3D self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon—enhanced solar desalination[J].Nature Photonics，2016，10（6）：393—395.

[57] NI G，LI G，BORISKINA S V，et al.Steam generation under one sun enabled by a floating structure with thermal concentration[J].Nature Energy，2016，1（9）：16126.

[58] SHANG Wen，DENG Tao.Solar steam generation： Steam by thermal concentration[J].Nature Energy，2016，1（9）：16133.

[59] LIU Yang，LOU Jinwei，NI Mengtian，et al.Bioinspired Bifunctional Membrane for Efficient Clean Water Generation[J].ACS Appl Mater Interfaces，2016，8（1）：772—779.

[60] LOU Jinwei，LIU Yang，WANG Zhongyong，et al.Bioinspired Multifunctional Paper—Based rGO Composites for Solar—Driven Clean Water Generation[J].ACS Appl Mater Interfaces，2016，8（23）：p.14628—14636.

[61] GAO Minmin，PEH K，HO G W.Plasmonic photothermic directed broadband sunlight harnessing for seawater catalysis and desalination[J].Energy & Environmental Science，2016，9（10）：3151—3160.

[62] YANG Peihua，LIU Kang，CHEN Qian，et al.Solar—driven simultaneous steam production and electricity generation from salinity[J].Energy & Environmental Science，2017，10（9）：1923—1927.

[63] ZHANGY，ZHAO D，YU F，et al.Floating rGO—based black membranes for solar driven sterilization[J].Nanoscale， 2017，9（48）：19384—19389.

[64] MENG Fanchen，HAO Wei，YU Shengtao，et al.Vapor—Enabled Propulsion for Plasmonic Photothermal Motor at the Liquid/ Air Interface[J].J Am Chem Soc，2017，139（36）：12362—12365.