深圳大学&河北大学Adv. Sci.综述：二维光热材料在水蒸发技术的应用

【引言】

水是我们日常生活的基本需求，缺水已经成为21世纪最令人担忧的全球挑战之一。为了提供更好的解决方案，众多研究者已经在该领域做出了很多努力。其中，利用光热纳米材料的太阳能水蒸发技术被认为是一种可行且绿色的技术，可通过丰富而清洁的太阳能解决水的挑战。光热纳米材料中的光-热转换即利用光热材料将太阳能辐射转换为热的形式。基于纳米材料的光热效应由于在纳米级的指定区域具有精确的加热位置而引起了广泛的兴趣。此外，可调节的表面和结构形态有助于量子限制效应和局部表面等离子共振（LSPR），这进一步增强了光热性能。由于独特的形态和物理化学性质，二维纳米材料已经受到了广泛的关注，这归因于具有较大的吸收面积，在宽广的太阳光谱中具有很强的吸收能力和有效的光热转换能力，可以极大地降低太阳能蒸发装置的成本并促进其实际应用。目前，关于石墨烯二维材料已经被广泛报道，但其他新兴二维纳米材料的光热水蒸发还未被系统的总结。

【成果简介】

近日，深圳大学张晗教授、河北大学闫小兵教授（共同通讯作者）总结了基于二维纳米材料的光热蒸发技术的最新进展，主要包括新兴的单元素二维材料Xene（磷烯，锑烯，碲烯和硼烯）和多元素二维材料（MXenes和TMDs）。此外，还介绍了从材料到系统的各种设计策略。在材料设计方面，讨论了提高光吸收和光热效率的各种策略，并进一步总结和比较了优化整个光热蒸发系统的方法。最后，基于解决水挑战的方案不应带来新的环境和社会问题的原则，着重强调了二维光热纳米材料在解决水挑战方面的作用，并为在光热材料选择，设计和蒸发系统构建中的实际应用提供可行的方案。相关研究成果以“The Rise of 2D Photothermal Materials beyond Graphene for Clean Water Production”为题发表在Advanced Science上。

【图文导读】

图一、基于二维光热纳米材料光热蒸发的示意图

 图二、二维金属材料和二维半导体的不同光热转换机理

图三、光热蒸发示意图（a）基于疏水性d-Ti₃C₂膜光热蒸发的示意图；

（b）使用亲水性MXene进行全蒸发脱盐示意图。

 图四、光热蒸发装置设计（a）SWCNT-MoS₂系统合成的示意图；

（b）MoS₂系统制备的示意图；

（c）用于光热蒸发的化学剥落（ce）-MoS₂；

（d）基于WO_x纳米流体的光热蒸发装置的示意图（d1）和高蒸发效率（d2）。

图五、BiInSe₃基光热蒸发装置（a）基于BiInSe₃@CF 的光热蒸发系统的示意图；

（b）BiInSe₃制备的PLD的实验装置。

 图六、缺陷调节（a）引入氧空位以增强吸收。（a1）具有不同缺陷水平的WO_x的图片，（a2）有缺陷的WO_x的标准太阳光谱和相应的吸收光谱；

（b）BiInSe₃中IB辅助吸光。（b1）BiInSe₃器件的吸收光谱和太阳光谱；（b2）通过电子-声子相互作用对光诱导；

（c）Te纳米材料的双共振模式。（c1）比较Te纳米材料与Si（全介电材料）和Au（等离子体材料）的介电常数；（c2）尺寸小于120 nm的Te纳米材料的等离子散射；（c3）尺寸大于120 nm的Te纳米材料的全介电散射。

 图七、光热转换效率测试（a）基于液滴实验装置，用于确定光热转化率；

（b）激光辐照时，液滴的热平衡。

图八、高水通量膜（a）用于光热蒸发的亲水膜和疏水膜的比较；

（b）小尺寸和大尺寸MXene膜的表面结构和水接触角；

（c）SWCNT‐MoS₂多孔膜SEM图像；

（d）原始BNC气凝胶的SEM图像；

（e）MoS₂棉布的SEM图像。

 图九、材料机械稳定性（a）PMoS₂棉布薄膜稳定的蒸发性能。（a1）PMoS₂棉布的高倍SEM图像；（a2）在4小时内稳定的蒸发速率；（a3）在32个周期内可重复使用性；

（b）SWCNT-MoS₂杂化膜的稳定的蒸发性能；（b1）SWCNT-MoS₂的 SEM图像；（b2）在3小时内稳定的蒸发速率；（b3）在20个周期内可重复使用性。

 图十、光热材料的稳定性（a）氟化磷烯以增强稳定性。（a1）原子氟化实验设置和随时间变化的剥离效果示意图；（a2）随时间的吸光度显示的氟化磷的稳定性；（a3）随时间变化的光热曲线；（a4）循环的光热稳定性。

（b）具有强热稳定性的氧化石墨烯/磷烯。（b1）用交联剂D400进行GO凝胶化以进行保护；（b2）磷烯凝胶示意图；（b3）高温下磷烯的光热稳定性。

 图十一、当前的光热剂和未来潜在的光热剂

图十二、提高光热蒸发效率的策略

 【小结】

总之，本文介绍了基于二维纳米材料的光热蒸发系统的最新进展。基于各种2D纳米材料的光热机理，可以通过引入原子空位，双共振光学模式，带隙调节，相变等来增强太阳光吸收。此外，从水的角度出发，探讨了水蒸发通量，热管理和稳定性对于提升光热蒸发系统的效率的影响。并从环境和商业应用的角度评估了其他一些特性，例如环境影响和成本。最后，指出了不同的二维纳米材料对光热蒸发应用的挑战，并提出了相应的策略。值得注意的是，在解决水危机的过程中不应引入新的环境和社会问题。简而言之，本文指出了基于2D材料的光热蒸发在解决当前水危机中的重要作用，同时强调了基于绿色能源和环保新材料技术的在解决环境问题的重要性。

文献链接：“The Rise of 2D Photothermal Materials beyond Graphene

for Clean Water Production”(Adv. Sci.，2020，DOI: 10.1002/advs.201902236)

 张晗教授，男，1984年出生，深圳大学特聘教授、深圳市黑磷工程实验室主任、博士生导师。美国光学学会会士、基金委“优青”、科睿唯安“高被引科学家（2018/2019）”、广东省科技领军人才等。长期从事低维材料光电器件相关研究，以通讯作者发表中科院一区论文超过100篇，包括Physics Reports2篇、PNAS 1篇、Science Advance 2篇、Nature Communications 6篇等；论文总被引超过26000次，H因子为85。张晗教授担任多个SCI期刊专题主编/编委、中国激光青年编委会秘书长、全国光学青年学术论坛第二届主席团副主席。科研成果获得教育部自然科学二等奖、中国产学研合作创新奖、中国光学十大进展、广东省丁颖科技奖、深圳市青年科技奖、深圳市自然科学奖等。

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 本文由材料人CYM编译供稿。