光热材料在太阳能海水脱盐中应用的研究进展

引用本文: 景欣欣, 王伟铎, 莫何苏, 谈朋, 陈志刚, 吴正颖, 孙林兵. 光热材料在太阳能海水脱盐中应用的研究进展[J]. 无机化学学报, 2024, 40(6): 1033-1064. doi: 10.11862/CJIC.20230371 shu

Citation: Xinxin JING, Weiduo WANG, Hesu MO, Peng TAN, Zhigang CHEN, Zhengying WU, Linbing SUN. Research progress on photothermal materials and their application in solar desalination[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2024, 40(6): 1033-1064. doi: 10.11862/CJIC.20230371 shu

光热材料在太阳能海水脱盐中应用的研究进展

景欣欣 ^{1, 2,} ,
王伟铎 ^{1, 2,} ,
莫何苏 ^1, ,
谈朋 ^3, ,
陈志刚 ^1, ,
吴正颖 ^{1,
,} ,
孙林兵 ^{3,
,}

1.
苏州科技大学材料科学与工程学院，江苏省环境功能材料重点实验室，苏州 215009
2.
苏州科技大学化学与生命科学学院，苏州 215009
3.
南京工业大学化工学院，南京 211816

通讯作者: 吴正颖, E-mail: zywu@mail.usts.edu.cn; 孙林兵, E-mail: lbsun@njtech.edu.cn

基金项目:
国家杰出青年基金 22125804

江苏省水处理技术与材料协同创新中心项目 XTCXSZ2020-1

摘要: 用于海水脱盐的太阳能界面蒸发装置因其绿色环保、简单高效以及适用范围广等优点，受到了广泛关注。与传统的体积式蒸发装置不同，太阳能界面蒸发装置将太阳光的收集和蒸汽的产生锁定在空气-水的界面，无需从底部加热整体水来产生蒸汽，极大提高了能源利用效率。本文详细介绍了太阳能界面水蒸发装置的重要组成部分——光热材料的光热转换机理、材料种类以及材料的性能；探讨了高效海水净化太阳能蒸发装置的设计策略(增强光吸收、充足水供应、耐盐排盐等)。在此基础上，总结了基于界面蒸发中的太阳能蒸发装置的研究进展，展望了新型太阳能蒸发装置在海水净化领域的发展前景。

关键词:

English

Research progress on photothermal materials and their application in solar desalination

Xinxin JING ^{1, 2,} ,
Weiduo WANG ^{1, 2,} ,
Hesu MO ^1, ,
Peng TAN ^3, ,
Zhigang CHEN ^1, ,
Zhengying WU ^{1,
,} ,
Linbing SUN ^{3,
,}

1.
Jiangsu Key Laboratory of Environmental Functional Materials, School of Materials Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou, Jiangsu 215009, China
2.
School of Chemistry and Life Sciences, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou, Jiangsu 215009, China
3.
School of Chemical Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China

Corresponding author: Zhengying WU, zywu@mail.usts.edu.cn; Linbing SUN, lbsun@njtech.edu.cn

Received Date: 09 October 2023
Revised Date: 18 March 2024
Available Online: 10 June 2024

Abstract: Interfacial solar evaporation devices for desalination have attracted significant attention due to their ecofriendliness, simplicity, high efficiency, and versatility. In contrast to traditional volumetric evaporation devices, interfacial solar evaporation devices confine the collection of sunlight and steam generation to the air-water interface, avoiding the need to heat the entire water volume from the bottom to generate vapor, thus greatly improving energy utilization efficiency. This paper details the photothermal conversion mechanisms, types, and performance of the photothermal materials, which are one of the important components of interfacial solar vapor generators. Then, the device design strategies for efficient seawater purification are thoroughly discussed, including the enhancement of light absorption, the supply of sufficient water, and the resistance and elimination of salt. Based on these discussions, the research progress of interfacial solar evaporation devices is summarized, and the development prospects of novel solar evaporation devices for desalination are anticipated.

Key words:

0. 引言

太阳能是地球上典型的可再生能源，具有能量巨大、安全可靠、洁净长久且覆盖范围广等特点，被认为是继煤、石油、天然气等传统化石燃料之后最具前途和竞争力的替代能源之一。目前，地球轨道上的平均太阳辐射强度为1 369 W·m^-2，地球每秒获得的能量高达173 000 TJ，相当于燃烧500万吨煤所产生的能量^[1]。能够有效获取并利用太阳能对于研究者来说具有非常大的吸引力。因此，太阳能在光热、光电、光化学等领域中受到广泛关注。

另一方面，水作为生命之源，在人类的日常生活、工业生产以及农林种植中扮演着举足轻重的角色。然而，全球经济的不断发展以及人口的快速增长，使得地球生态环境受到了很大的影响，水污染问题变得日益严重。据推测，到2025年，全球将会有48个国家以及约60% 的大洲人口面临清洁淡水资源短缺的问题^[2]。因此，各国已开始将战略目光投向海水资源淡化处理^[3]。海水淡化工艺通常可分为2种技术类型：热海水脱盐技术和膜分离技术。热海水脱盐技术是通过加热将蒸馏水从盐水中分离出来。其中应用最为广泛的是多级闪蒸和多效蒸馏。热脱盐技术需要消耗大量的化石能源，这可能会导致空气污染和温室气体排放量增加^[4]。膜分离技术包括反渗透、电渗析、正向渗透和膜蒸馏等方法。其中，使用最多的反渗透装置每年所消耗的能量约为100 TWh，这些能量若由煤炭燃烧提供，将产生60至100吨的二氧化碳排放^[5]。因此，新型水净化材料的研究与技术开发，并借助可再生能源推动海水淡化以降低能耗的解决方案已引起科学界的极大关注。其中，太阳能界面水蒸发技术作为一种绿色清洁、简单高效的水处理方法，是材料与环境研究领域的前沿热点之一。

传统的太阳能水蒸发是将阳光直接照射到整体水，从而获得水蒸汽，完成水净化。由于水分子仅能吸收红外波段的太阳光且水面会对光有散射作用，导致该方法耗时长、效率低(30%~45%)，无法达到预期效果^[6]。因此，如何改善蒸发装置以提高蒸发效率成为太阳能水蒸发技术的关键问题。近年来，研究者根据光热材料可将太阳能高效率地转化成热能这一优势，将其应用于太阳能水蒸发领域，通过光热材料对水体的额外加热，获得更高的水蒸发效率^[7]。与此同时，太阳能水蒸发装置的结构设计也得到进一步发展，光热材料的工作区域被从整体水中引入到空气-水界面。这种界面蒸发方法增大了体系的光吸收面积，避免了绝大部分的热量损失，并且使得水蒸汽更容易扩散，从而有效提升了体系的光热转换效率(可达97% 以上)。本文总结了近十年来光热材料在太阳能界面水蒸发领域的研究进展，对光热转换机理、光热材料的种类、蒸发装置的结构设计、体系的蒸发性能等方面进行了系统的概述，并提出了高效海水净化的策略。

1. 光热转换机理

光热材料是新型太阳能水蒸发装置最重要的组成部分。光热材料是指在太阳光照射下，能够吸收太阳能，并将入射光部分或全部转化为热量的材料。显然，具有高效光热转换性能的光热材料是提升太阳能水蒸发效率的首要关键因素。在过去的十几年时间里，科研工作者已对在太阳光谱下具有高光吸收率和转化率的材料进行了深入的研究。研究发现，现有的光热材料将光能转变为热能的机制主要有3种：局域表面等离子体共振(localized surface plasmon resonance，LSPR)^[8-9]、电子-空穴对的产生与弛豫^[10-12]以及分子热振动^[13]，下面我们进行详细的介绍。

1.1 LSPR

LSPR是指在初始平衡状态时，金属纳米粒子表面的离域电子可被与其振荡频率匹配的入射电磁波激发而产生集体振荡，即产生LSPR效应，这使金属纳米粒子能够从远大于其几何截面的空间范围内富集并且吸收光子，从而表现出很强的光吸收能力，如图 1a所示^{[6, 8]}。等离子体共振产生的能量可以进一步通过朗道阻尼(Landau damping)激发金属表面的电子，使之热化，形成高能热电子；高能热电子在衰退时可通过电子-声子相互作用将能量传递给金属表面的其它原子，引起晶格振动，使金属纳米粒子局部加热^[9]。通过该光热机理，等离子体元素在一定波长太阳光照射下可逐渐被加热。

图 1

图 1. 三种典型的光热转换机理

Figure 1. Three typical photothermal mechanisms

(a) Plasmonic heating, (b) electron-hole generation and relaxation, and (c) thermal vibration of molecules.

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1.2 电子-空穴对的产生与弛豫

在带隙能量与入射光子能量相似的半导体材料中，可由光照后电子-空穴对的激发与弛豫而产生热量。在窄带隙的半导体中，当入射光的光子能量高于半导体禁带宽度时，光子被吸收并将价带(valence band，VB)中的电子激发到导带(conduction band，CB)上，在VB中形成空穴，即产生过剩载流子或平衡载流子。被激发的电子随后会从CB回到VB中，通过热弛豫过程将多余能量转化成热能并释放，如图 1b所示^[12-13]。在此过程中还会有其他的电子-空穴对被不断激发出来，形成动态平衡，使材料在光照过程中源源不断地产生热量。当然，能够通过电子-空穴对的产生和弛豫而发生光热转换效应的往往是窄带隙的半导体材料，宽带隙的材料中被光激发产生的电子在与空穴复合的过程中更容易以光子而非热能的形式释放能量^[14]。

1.3 分子的热振动

通常，一些碳材料和聚合物会表现出较强的光吸收能力，并通过内部的分子热振动，将吸收的光能转化为热能。当进行光照射时，这类材料中自由分布的电子会不断吸收光子能量从成键(π)轨道跃迁到反键(π^*)轨道。即当入射光的光子能量能够提供分子内可能的电子跃迁时，电子受到激发会从基态(最高成键分子轨道，highest occupied molecular orbital，HOMO)跃迁到更高能量的轨道(最低未成键分子轨道，lowest unoccupied molecular orbital，LUMO)，当激发电子从激发态弛豫回到基态时，会释放出热量，如图 1c所示^[6]。在以分子热振动为机理的光热转换过程中，材料分子的HOMO和LUMO之间的能量差是关键。

2. 装置蒸发性能的计算方法

一般情况下，以蒸发速率和蒸发效率作为评估太阳能蒸发装置性能的2项重要指标，太阳能蒸发装置的性能越好，在1 KW·m^-2的光照条件下，蒸发速率越高，蒸发效率越接近100%。

蒸发速率(v，kg·m^-2·h^-1)通常是判定水分蒸发快慢的标准。在确定的光照条件下，蒸发速率越大，越能体现材料的光热性能优异。蒸发速率由以下公式进行计算：

$ v=m_{\text {loss }} /(A t) $

(1)

其中，m_loss表示蒸发过程中水的质量损失(kg)，A表示光热材料的受光面积(m²)，t表示光照时间(s)。

蒸发效率(η)的计算是用蒸发水的功率(Q_e)除以太阳光照的功率(Q_s)获得的，公式如下：

$ \eta=Q_{\mathrm{e}} / Q_{\mathrm{s}} $

(2)

其中，Q_e与Q_s的计算公式如下：

$ Q_{\mathrm{e}}=M H_{\mathrm{LV}} $

(3)

$ Q_{\mathrm{s}}=C_{\mathrm{opt}} I A $

(4)

其中，M表示蒸发过程中的净水质量损失(kg)，H_LV表示气-液相变的总焓，C_opt表示光学浓度，I表示光功率密度。在这里，光学浓度表示太阳照射的数量级，即1光学浓度表示1个太阳的照射；光功率密度的常见单位有kW·m^-2和mW·cm^-2，换算关系为1 kW·m^-2=100 mW·cm^-2。

3. 光热材料研究进展

基于前文所述光热机理，一系列不同类型的光热材料已被开发，如金属^[15-24]、半导体^[25-43]、碳基材料^[44-51]、聚合物^[52-66]以及它们的复合物^[67-85]等。不同类型的光热材料有着不同的光热转换机理、太阳光吸收范围、光热转换效率、成本以及耐用性。具有宽(太阳光全波段)而高效的光吸收(提高能量富集)、低热导系数(降低能量耗散)、多孔结构和良好的亲水性(实现快速水传输)、有效阻盐性能、高化学和机械稳定性是光热材料用于太阳能水蒸发的一些基本要求和特征。本文将对近年来用于太阳能水蒸发的一些光热材料的研究进展分类介绍。

3.1 金属材料

金属纳米粒子作为一种等离子体型材料，根据LSPR效应，可以在一个或几个特定波长范围内吸收太阳光并将其转化为热量，表现出良好的光热效应。又因其具有化学稳定性和光稳定性，可实现表面功能化以及良好的生物相容性等优点，被广泛应用于太阳能水蒸发领域。

根据地壳中的元素储量，金属材料可分为贵金属和贱金属2类。其中，贵金属包括Au、Ag、Pd等，而贱金属则有Al、Cu和In等(图 2)。金属材料的结构、形貌、排列方式、粒径大小等是影响其光热效应的主要原因。Au作为一种亚微米级的粒子，可通过离域传导电子的集体振荡在太阳光谱中吸收能量，并通过朗道阻尼耗散未经过光散射的能量来加热粒子表面，使材料温度升高；在适当的光照下，Au纳米粒子的温度甚至可以高于水的沸点，使得蒸发效率能够轻松达到80%^[7]。Kim等^[15]根据Au纳米粒子表现出的光热性能，提出了一种黑金层次化纳米草坪膜，该膜表现出优异的光吸收能力，可在1 kW·m^-2的太阳光照条件下实现91% 的水蒸发效率。相比于Au纳米粒子，Ag具有更宽的光吸收范围以及更低的成本，自身的光热转换效率可以达到72.6%^[16]。本课题组研究人员曾将Ag纳米立方体封装到ZIF-8中构建了Ag@ZIF-8复合材料，该材料在整个可见光(Vis)波长范围内都具有比较强的吸光度，并且Ag纳米立方体可以在几分钟内迅速提高吸附剂的温度^[17]。此外，Sun等^[18]利用Ag纳米粒子的光热性将其与聚苯乙烯磺酸钠结合修饰琼脂糖凝胶，得到了一种新型双层太阳能蒸发器(Ag-Pss-AG/AG)，该装置在1 kW·m^-2的光照下具有2.1 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率并且蒸发效率达到了92.8%。此外，基于Pd可以在400~2 500 nm的宽带波长范围内获得较高的光吸收，Zhu等^[19]将Pd纳米粒子均匀装饰在天然木材的3D中孔微通道壁上，得到了一种具有高光吸收率(99%)的太阳能蒸发装置。该装置的微通道结构使得太阳光能够长时间地停留在Pd纳米粒子上，大大提升了装置的蒸发性能，其在1 kW·m^-2的光照条件下蒸发效率为85%。

图 2

图 2. 几种常见的用于太阳能水蒸发的贵金属及贱金属材料

Figure 2. Several common precious and base metal materials employed in solar water evaporation

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虽然贵金属纳米粒子有着优异的光热转换性能，但较高的成本依然限制了它们在太阳能海水淡化领域的应用。与贵金属相比，贱金属在保证足够的光热转换效率前提下，因其相对较低的成本，逐渐被应用于界面水蒸发领域。Al纳米粒子作为一种典型的贱金属光热材料，其欧姆阻尼和近场增强作用均强于贵金属^[20]，这内在地促进了吸光性能，可实现高效的宽带光吸收。Zhou等^[21]使用Al纳米粒子作为光热材料，将其沿纳米孔阳极氧化铝膜(AAM)的侧壁紧密填充，从而限制光的表面反射和内部散射，提高光吸收性能。因此，该多孔铝基等离子体材料对太阳光的吸收率高达96%，在4 kW·m^-2的光照下蒸发效率达到88.4%。Lin等^[22]基于Cu纳米粒子在较宽的入射角和波长范围(200~1 300 nm)内表现出均匀的光吸收性(97.7%)以及高效的光热转换效率(93%)，将其涂覆在纤维素膜上，设计出了一种低成本的柔性复合膜，该复合膜具有优异的水蒸发能力以及抗盐腐蚀性能，在2 kW·m^-2的光照下具有73% 的水蒸发效率。此外，由于In纳米粒子也具有等离子体加热效应，现作为一种新型的光热材料也被应用于太阳能水蒸发领域。Zhang等^[23]根据理论计算发现In纳米粒子表现出比Au、Ag和Al更好的光热效应。研究者在具有微孔的膜(MPM)上覆盖了大量的In纳米粒子，制备出一种便携、高效的In/MPM太阳能光热装置，该装置在3 kW·m^-2的光照下蒸发效率可达84.2%。

由上述实例可以看出，金属材料可以用于界面水蒸发主要是由于金属纳米粒子特有的LSPR效应，可以将光转化为热能，从而促进水的蒸发。在这一过程中，通过增加金属纳米粒子的负载量、改变光照强度、调整入射角度等拓宽材料对光的响应区域来增强对光的吸收。在实际应用中，贵金属材料往往存在成本高、制作过程复杂、环境相容性差的不足。而贱金属在太阳能蒸发过程中，当太阳光照强度在2 kW·m^-2以上才能达到70% 以上的蒸发效率，难以保证在低太阳照度下的应用。并且，为了获得更高的蒸发效率，还需考虑材料的稳定性和耐久性，使其在保证良好性能的前提下，能够长时间应用于太阳能水蒸发。

表 1总结了近年来一些典型的金属纳米粒子作为光热材料用于太阳能水蒸发的研究结果。从表中可以看出，以Au、Ag、Pd作为光热材料，太阳能蒸发装置的蒸发效率可稳定在80% 甚至更高。其中，Ag-Pss-AG/AG装置表现出格外优异的性能，主要是因为双层凝胶结构能够提供更多的水传输路径，赋予了光热材料更大的接触面积，保证了蒸发过程的稳定性。

表 1

表 1 金属光热材料用于太阳能水蒸发的性能比较

Table 1. Performance comparison of metal photothermal materials for solar water evaporation

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Evaporator	Photothermal material	I/(KW·m^-2)	v/(kg·m^-2·h^-1)	η/%	Ref.
Au nanoparticles	Au	1		80	[7]
Au nanoturf	Au	1	1.13	91	[24]
Ag-Pss-AG/AG	Ag	1	2.1	92.8	[18]
Pd/wood	Pd	10	11.8	85	[19]
Al/AAM	Al	4	5.7	88.4	[21]
Cu NPs/cellulose membrane	Cu	2		73	[22]
In/MPM	In	3		84.2	[23]

3.2 半导体材料

与金属光热材料相比，半导体材料具有太阳光吸收频带宽、生物相容性高、化学稳定性好、种类丰富、成本低、毒性小等优点，现作为一类新型的光热材料被广泛应用于太阳能水蒸发。半导体材料的光热转换机理通常有2种，即类似于金属纳米粒子的LSPR效应与电子-空穴对的产生与弛豫。其中，大部分的半导体都借助电子-空穴对的产生与弛豫生热，而掺杂有特殊价态金属离子的半导体以及含氧型半导体材料也可以产生LSPR效应。为此，我们将半导体光热材料分为硫族化合物、多金属化合物、含氧型化合物以及其他型半导体(图 3)，并进行分类讨论。

图 3

图 3. 几种常见的用于太阳能水蒸发的半导体材料

Figure 3. Several common semiconductors employed in solar water evaporation

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在硫族化合物半导体中，硫属铜基材料因其铜空位引起的带正电荷的空穴，使得这类材料在近红外光区(near infrared spectrum, NIR)有着显著的等离子体性质，常见的有CuS、Cu_2-xTe等。其中，CuS作为一种具有间接带隙的半导体，是目前很有前途的光子能量获取材料。据报道^[25]，CuS的光吸收系数与等离子体Au纳米粒子相当，且可通过优化CuS的尺寸、形状和组成来改善光学性能，从而促进光热效应。Wu等^[26]将Cu₂O颗粒硫化获得了CuS蛋黄-壳纳米笼，该材料在整个紫外可见近红外(UV-Vis-NIR)区域都表现出很强的光吸收。同时使用琼脂糖凝胶将该CuS纳米笼与棉层黏结后，所得到的柔性气凝胶在1 kW·m^-2的光照下，蒸发速率为1.63 kg·m^-2·h^-1，蒸发效率可以达到94.9%。Cu_2-xTe是一种高度简并的p型半导体材料，其直接带隙为1.1~1.5 eV。Chen等^[27]通过改变Cu_2-xTe中的Cu、Te化学计量比调节材料的带隙宽度，使材料在全光谱范围内都有着明显的光吸收率(约95.9%)。将其涂覆在纤维素膜上形成bpCu_2-xTe复合光热膜，该膜可在3 kW·m^-2的太阳辐射下达到4.3 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率以及96% 的蒸发效率。除了硫属铜基材料，二维片层结构的MoS₂因具有较大的比表面积，可以改善光吸收、提高太阳能利用率也被研究者关注。Guo等^[28]通过水热法将聚乙二醇化的MoS₂自生长在棉布上，得到了具有良好耐温性、耐碱性和高稳定性的二维多孔光热薄膜(PMoS₂-CC)。该光热膜在1 kW·m^-2的光照下实现了1.3 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率以及80.5% 的蒸发效率。

等离子体结构因其独特的可捕获到亚波长尺寸(小于200 nm)光的能力而备受关注，这对高效的光收集和应用十分有利，多金属半导体化合物往往能够实现这一点。例如，窄禁带CuFeSe₂纳米粒子具有低毒性、高光吸收、高光热转换等优异的物理化学性质。并且，与其他等离子体金属如Au、Ag、Pt等相比，CuFeSe₂作为一种三元硫系化合物，在成本和可扩展性方面更具竞争力，可应用于太阳能转换领域。Liu等^[29]将CuFeSe₂纳米颗粒与木材相结合，开发出了一种用于高效太阳能蒸汽产生的黑色木质复合膜。该膜在较宽的光谱范围内具有高达99% 的光吸收率，在5 kW·m^-2的太阳照射下达到了86.2% 的蒸发效率。Cu₂ZnSnS₄化合物是一种p型半导体，具有合适的直接带隙，并且有很高的光吸收系数，但为了进一步提高宽带光吸收，由亚波长尺寸元素组成的多金属半导体Cu₂ZnSnS₄微结构膜被进一步开发。Mu等^[30]将Cu₂ZnSnS₄单晶纳米片进行组装得到了一种具有典型等离子体纳米结构的CZTS纳米组装膜。这种独特的结构在宽太阳光谱内表现出高的光吸收率(约92.25%)，使得该膜在1 kW·m^-2的辐射下蒸发效率达到84.5%。Shi等^[31]将CuFeMnO₄负载在石英玻璃纤维状滤膜(QGF)上，设计出了一种3D杯型蒸发装置，该装置在单日照下产生水蒸气的速率高达2.04 kg·m^-2·h^-1。

在目前的研究中，含氧型半导体材料因其较高的光热转换效率、化学稳定性以及环境友好性，也被广泛应用于太阳能水蒸发领域。常见的含氧半导体光热材料可分为缺氧型半导体材料以及传统氧化物半导体材料。缺氧型半导体材料通常具有丰富的氧空位、较高的自由载流子浓度，它们的窄禁带结构可使材料在Vis-NIR区域有着很强的光吸收能力和光热转换能力。Ye等^[33]通过镁热还原方法将白色TiO₂(P25)还原成了一系列具有不同钛氧比和颜色的TiO_x(x < 2)纳米粒子，并研究了它们的光热性能。研究结果表明，TiO₂还原度越高，钛氧比越高，TiO_x越黑，材料的光热转换效率越高。该研究中，黑色TiO_x表现出了最佳的性能优势，在1 kW·m^-2的光照条件下，蒸发效率为50.30%。Liu等^[34]将黑色TiO_x生长在碳布上得到纳米结构复合材料(BTCC)，发现其在任何处理条件下均表现出优异的光热转换效率和稳定性，在1 kW·m^-2的太阳光照射下可获得94% 的蒸发效率以及1.515 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率。除了缺氧基TiO₂材料，缺氧型的MoO_x材料也被广泛研究。MoO_x具有可调谐的LSPR效应和空位，可在许多光热领域有所应用。Lu等^[35]通过一步水热法合成出了具有层状纳米结构的MoO_x(MoO_x HNS)材料。得益于其宽带光吸收，MoO_x HNS有着良好的水蒸发性能，在1 kW·m^-2光照下，蒸发速率可达1.255 kg·m^-2·h^-1，蒸发效率为85.6%。

此外，传统的氧化物半导体材料也具有一定的光热效果。Liu等^[36]以磁性Fe₃O₄纳米颗粒作为光吸收材料，将其涂覆在载体表面上，成功开发了一种高效的太阳能水蒸发系统。在1 kW·m^-2的光照条件下，该磁性Fe₃O₄纳米材料可以吸收超过95% 的阳光，系统蒸发效率可以达到75%。Li等^[37]使用一步原位还原法得到了一种黑色MnO₂颗粒均匀分布在木材表面的复合结构，可获得约94% 的太阳光吸收率，在1 kW·m^-2的太阳光照下实现了1.22 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率以及81.4% 的蒸发效率。该研究提出了一种获得高性能光热材料的简便方法，为未来的大规模量产提供了思路。

在其他的半导体材料中，二维过渡金属碳化物/氮化物(MXene)材料因强烈的LSPR效应能够有效地吸收太阳光，表现出优异的光热性能。Li等^[38]通过在473或785 nm波长的激光下进行液滴加热，证实了Ti₃C₂具有近100% 的内部光热转换效率。Lin等^[39]通过测量超薄Ti₃C₂纳米片的UV-Vis-NIR吸收光谱，发现这些Ti₃C₂纳米片在750~850 nm的近红外区域有着很强的光吸收，类似于一些具有LSPR效应的贵金属纳米粒子，这有利于快速收集太阳光用于光热转换。Zha等^[40]采用浸渍镀膜法将Ti₃C₂涂覆在纤维素膜的表面，制备出了柔性的MXene/纤维素光热膜。该膜在太阳能水蒸发领域具有长期稳定性，在1 kW·m^-2的光照下水蒸发效率可达85.8%，蒸发速率为1.44 kg·m^-2·h^-1。

此外，含氮的半导体化合物也展现出了一定的光热前景。氮化钼(MoN_x)以其低成本、机械稳定性良好、电子结构类似于贵金属而作为光热转换材料被广泛研究。Zhu等^[41]采用一种简便的合成方法制备出了双相MoN/Mo₂N纳米材料，除了具有强全光谱吸收、高效光热转化和超亲水性能等特性外，该纳米复合材料相互连接的开放介孔还进一步提高了光捕获和水蒸气传输能力，在1 kW·m^-2的光照下表现出1.70 kg·m^-2·h^-1的水蒸发速率和98% 的蒸发效率，并具有良好的循环稳定性。此外，TiN纳米粒子因在Vis-NIR区域内的LSPR效应，也呈现出良好的光热效应。Kaur等^[42]提出了一种将纳米TiN负载到阳极氧化铝(AAO)上用于海水净化的有效方法。研究结果表明，当TiN厚80 nm以及AAO孔径达300 nm时，所组成的TiN-AAO在1 kW·m^-2的光照下，蒸发速率为1.48 kg·m^-2·h^-1，蒸发效率可达到92%。

由上所述，材料种类多、形态可调节、光热稳定性好的半导体，已成为具有广泛应用前景的光热材料。然而，半导体材料在光热应用中仍存在一些不利因素，例如光吸收率较低，这限制了半导体材料在太阳能海水净化领域的推广。为改善其光吸收，可以通过掺杂等方式调节能带结构^[43]。

表 2总结了近年来一些典型的半导体作为光热材料用于太阳能水蒸发的性能。其中，Ti₃C₂材料的光热转换能力出色，蒸发性能也很优异，已逐渐成为领域的研究热点。但是Ti₃C₂由于自身易氧化、制备复杂等原因，在太阳能蒸发装置中的应用还需进一步改进。此外，富缺陷的Cu_2-xTe、TiO_x、MoN_x等材料在太阳能水蒸发领域也有着不错的应用前景。

表 2

表 2 半导体光热材料用于太阳能水蒸发的性能比较

Table 2. Performance comparison of semiconductor photothermal materials for solar water evaporation

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Evaporator	Photothermal material	I/(kW·m^-2)	v/(kg·m^-2·h^-1)	η/%	Ref.
CuS nanocages	CuS	1	1.63	94.9	[26]
bpCu_2-xTe/cellulose membrane	Cu_2-xTe	3	4.3	96	[27]
PMoS₂-CC	MoS₂	1	1.3	80.5	[28]
CuFeSe₂/wood	CuFeSe₂	5	6.6	86.2	[29]
CZTS nano-assembly device	Cu₂ZnSnS₄	1	1.46	84.5	[30]
3D PQC-19 cup	CuFeMnO₄	1	2.04	ca. 100	[31]
CuCr₂O₄/SiO₂/QGF	CuCr₂O₄	1	1.32		[32]
Black TiO_x	TiO_x	1	0.801 2	50.3	[33]
BTCC	TiO_x	1	1.515	94	[34]
MoO_x HNS	MoO_x	1	1.255	85.6	[35]
Fe₃O₄ MNPs	Fe₃O₄	1		75	[36]
Black MnO₂/wood	MnO₂	1	1.22	81.4	[37]
MXene cellulose membrane	Ti₃C₂	1	1.44	85.8	[40]
Dispersive MoN/Mo₂N	MoN_x	1	1.7	98	[41]
TiN/AAO	TiN	1	1.48	92	[42]

3.3 碳基材料

碳基材料具有吸光率高、种类丰富、廉价易得、生物毒性低以及良好的可扩展性等优点。基于分子热振动原理，碳材料具有出色的光热转换性能。常见的碳基光热材料可分为石墨烯(graphene)、氧化石墨烯(graphene oxide，GO)、还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide，rGO)、碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)以及生物质衍生碳材料等(图 4)。此外，碳材料还有利于构造各种增强光吸收的结构，并与不同的衬底材料和蒸发装置相集成，所有的这些性质使碳成为最有希望应用于实际的光热材料。

图 4

图 4. 几种常见的用于太阳能水蒸发的碳基材料

Figure 4. Several common carbon-based materials employed in solar water evaporation

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石墨烯是碳基材料的代表之一，具有宽带吸收性质和优异的化学稳定性，是光热诊疗、环境修复、电子科技、太阳能水蒸发等研究领域中的热点材料。在太阳能界面水蒸发领域，为了更好地实现太阳能的高效吸收并达到更高的光热转换效率，研究者对石墨烯的研究包括以下3个方面：(1) 使石墨烯具有更低的透射率和反射率以便全方位有效地吸收太阳光；(2) 简化材料制备工艺以提高产量；(3) 增大材料与基质之间的接触面积以实现更好的热传递。

Ren等^[44]采用等离子体增强化学气相沉积生长的方法，设计并合成了具有连续孔隙度的分级石墨烯泡沫(h-G泡沫)。这种h-G泡沫可以最大限度地减小入射光的反射和透射，从而有效地将所吸收的光转换为热。因此，h-G泡沫的光热转换效率高达93.4%，且在1 kW·m^-2的照射下，蒸发效率也超过了90%。Zhang等^[45]制备了长程垂直对齐的3D石墨烯片状薄膜(VA-GSM)，该薄膜具有良好的光吸收能力和光热传导能力，在1 kW·m^-2的照射下，平均蒸发速率为1.62 kg·m^-2·h^-1，蒸发效率高达86.5%。

此外，作为石墨烯的衍生材料，GO在应用于太阳能水蒸发领域时也具有独特的优势：(1) 通过低成本和可扩展的工艺制备的GO薄膜是一种高效的宽带吸收材料；(2) GO膜具有多孔结构，可以为供水和水蒸汽流动提供有效途径；(3) GO薄膜的跨面热导率很低(约0.2 W·m^-1·K^-1)，有利于抑制热耗散；(4) GO膜具有相对较高的折叠性，可以自然地附着在衬底材料上，方便蒸发装置的形成。基于以上4点，Li等^[46]将GO引入到界面式蒸发装置中，在1 kW·m^-2的光照下，蒸发速率可达1.45 kg·m^-2·h^-1，蒸发效率也能保持在80%。与上述2种材料相比较，rGO不仅具有强度高、柔韧性好、光学性能优良等特点，而且在高温条件下也表现出了良好的稳定性。Liu等^[47]通过将rGO均匀分散在水溶液中形成纳米流体，发现在不同浓度和不同光强下都能促进蒸汽产生，这也扩大了rGO在海水淡化、清洁水生产、废物杀菌等方面的应用。同样的，由于受光辐射后可在π轨道上产生电子跃迁，以sp²杂化碳原子为主的CNTs也是很好的光吸收材料。Yin等^[48]研究了垂直排列的碳纳米管(VACNT)在水蒸发过程中的光热稳定性。VACNT阵列在宽光谱范围内具有几乎恒定的光学吸收率(0.98~0.99)，光热转换效率可以轻松达到90%，利用VACNT阵列的辅助，体系中水的蒸发速率几乎是裸水的10倍。

除此之外，将自然界中丰富可再生的生物质通过简单的热处理过程，可以很容易地转化为碳材料，这也被认定是制备光热材料中最实用易得的方法。树木作为地球上最丰富的生物工厂，在自然生长期间，能够通过许多垂直排列的微通道从土壤中吸取水分、离子和其它养分，并循环到上游完成蒸腾作用。根据这一灵感，研究者们提出将天然木材引用到太阳能水蒸发领域，通过对木材顶部进行简单的碳化处理，可获得光吸收率高达99% 的光热材料。Xue等^[49]将天然木材经过火焰处理后，应用于太阳能水蒸发，在1和3 kW·m^-2的太阳照射下，蒸发速率分别为1.05和3.46 kg·m^-2·h^-1，明显高于裸水的蒸发。与天然木材功能相类似的生物质材料还包括蘑菇、竹子等。Xu等^[50]发现蘑菇独有的自然结构也能应用于太阳能水蒸发。蘑菇含有伞状的黑色菌盖、多孔结构以及小横截面的纤维状菌柄，不仅能够提供高效光吸收，同时也能帮助供水以及蒸汽排出。此外，通过碳化处理，还能进一步提高蘑菇的太阳光吸收率(约96%)，在1 kW·m^-2的光照条件下，其蒸发效率达到78%。Bian等^[51]则将天然竹子碳化，得到了一种3D型太阳能蒸发装置，在1 kW·m^-2的光照下，蒸发速率达到了惊人的3.13 kg·m^-2·h^-1。因此，成本低廉、制备简易、性能良好且能够自清洁的生物碳化材料，在海水净化方面有着诱人的应用前景。

由上可知，光热性能优异的碳基材料往往满足宽光谱范围吸收能力、丰富的孔道结构、较大的比表面积这3个条件。与前文提到的金属材料和半导体材料相比，碳基材料在制备成本、可扩展性、稳定性、环境友好性和应用性等方面是最具竞争力的候选材料。因此碳基材料被认为是太阳能水蒸发领域中最实用的选择。然而，在实际应用中，碳基材料仍面临一些挑战：一方面需要进一步优化和改进其孔结构以增强光吸收、改善水传输；另一方面，与其它材料的有效复合及成型也是推进碳基材料应用的关键问题。

表 3总结了近年来一些典型的碳基光热材料用于太阳能水蒸发的研究结果。与上述提到的石墨烯类光热材料相比，生物衍生碳是太阳能蒸发装置中使用频率非常高的一类光热材料。从表中也不难看出，生物碳材料表现出很高的蒸发速率，最高可达3.13 kg·m^-2·h^-1，并且大部分蒸发效率能够保持在85% 左右。此外，在引入了碳材料后，不仅装置的成本在一定程度上得到了降低，而且装置在各种水处理中都能保持较高的稳定性，在循环使用过后性能也没有发生太大的衰减。

表 3

表 3 碳光热材料用于太阳能水蒸发的性能比较

Table 3. Performance comparison of carbon-based photothermal materials for solar water evaporation

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Evaporator	Photothermal material	I/(kW·m^-2)	v/(kg·m^-2·h^-1)	η/%	Ref.
h-G foam	GF	1	1.4	91.4	[44]
VA-GSM	GF	1	1.62	86.5	[45]
GO membrane	GO	1	1.45	80	[46]
rGO nanofluid	rGO	1	1.219		[47]
VACNT	CNTs	15		90	[48]
F-wood	Biochar	3	3.46	81	[49]
Mushroom	Biochar	1	1.475	78	[50]
Bamboo	Biochar	1	3.13	132	[51]

3.4 聚合物材料

高分子聚合物在整个太阳光谱下均呈现出良好的光吸收性质，其光热转换机制与碳基材料相类似，均归因于分子的热振动。与其他光热材料相比，聚合物还具有生物相容性、低细胞毒性、近红外区光吸收强和光热转换效率高等特点^[86]。在合成过程中，高分子聚合物的结构柔性更有利于其成型，可多样化设计结构。因此，聚合物在新型太阳能水蒸发领域中也有着巨大的应用潜力。

目前，聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)和聚多巴胺(PDA)等共轭聚合物由于其强大的近红外区光吸收，是聚合物中研究较多的光热材料(图 5)。与PANI和PDA相比，PPy具有粗糙的表面结构，能使光多次折射从而增强光吸收，且导热系数较低，可最大限度地减少热损失。PPy自身的光热转换效率较低，仅有50%，将其作为光热材料时，需通过扩大装置优势来取得一定的蒸发效果。Li等^[52]通过将PPy固定在三聚氰胺泡沫(MF)的表面上，构成一种可直接吸收光并蒸发水的装置，该装置在1 kW·m^-2光照下，平均蒸发速率为1.574 kg·m^-2·h^-1，蒸发效率达到90.4%。Ni等^[53]使用原位氧化聚合法获得了一种PPy改性的功能化纤维素纸(PPyP)，通过折纸可实现2D和3D结构之间的自由切换，以适应不同的应用环境。该3D结构的PPyP在1 kW·m^-2光照下，蒸发速率能够提高到2.99 kg·m^-2·h^-1。同样地，Xiao等^[54]采用原位可调的氧聚合策略构建了PPy改性的棉织物(PMC)，并采用缝制技术将PMC与纯棉织物交替缝合获得了3D结构的PMC。该3D结构PMC在1 kW·m^-2光照下，蒸发速率高达3.37 kg·m^-2·h^-1。

图 5

图 5. 用于太阳能水蒸发的三种聚合物材料

Figure 5. Three polymers that employed in solar water evaporation

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与PPy相比，稳定的PANI纳米材料光热转换性能更为优异，在808 nm激光照射下，10 min内温度可达到50 ℃以上，也被用于太阳能水蒸发领域。Liu等^[55]报道了一种亲水性PANI涂覆的光热织物，在1 kW·m^-2的照射下，蒸发速率可达1.94 kg·m^-2·h^-1，蒸发效率为89.9%。Ding等^[56]通过在棉布上用γ射线先共辐照接枝4-氨基苯乙烯(ASt)，再原位氧化还原接枝苯胺，得到了光热转换棉织物(PCCF)。该PCCF在1 kW·m^-2的光照下处理质量分数3.5% 的NaCl溶液时，蒸发速率为1.47 kg·m^-2·h^-1，蒸发效率为97%。

此外，具有优良吸光性质和光热转化效率的PDA材料，在水蒸发应用中也有一定的贡献。并且，由于PDA特有的氨基和芳香环，可通过螯合作用和氢键来去除污水中的重金属离子和有机染料，这使得PDA能够处理更多的水体，比PPy和PANI使用更广泛。Xu等^[57]受河豚遇到危险自身体积膨胀和收缩循环的启发，开发出了一种具有高弹性光响应的太阳能吸收凝胶(SAG)。其中，引入到SAG中的PDA可以对N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)水凝胶进行修饰实现太阳光富集。研究者对SAG的水净化能力进行了多次测试，发现它在处理各种废水方面都有着很大的潜力，有望实现可持续的水资源循环利用。Yang等^[58]制备了一种由妥布霉素掺杂的PDA纳米颗粒涂覆的纤维膜(PDA/TOB@CA)。该膜在1 kW·m^-2的光照下，实现了1.61 kg·m^-2·h^-1的高水蒸发速率以及大于90% 的蒸发效率。此外，该复合膜还表现出优异的抗菌活性，在富含细菌的环境下也能实现高效且持久的太阳能水蒸发性能。Zhang等^[59]以PDA和凹凸棒石(ATP)为载体，制备了一种仿生气凝胶(PAS)。该PAS在1 kW·m^-2的光照下，蒸发速率为1.71 kg·m^-2·h^-1，蒸发效率为98.7%。

综上所述，聚合物光热材料因其自身独特的吸光性质，以及易成型加工且在使用期间内性能稳定、在废弃后能在自然条件下被最终降解等特点，也成为太阳能水蒸发领域中的一种新型材料被广泛研究。但聚合物光热材料仍然存在不少缺点，如聚合物自身结构稳定性较高，难以对其直接改性进行结构设计，且存在合成工艺复杂、成本较高等局限。因而，聚合物光热材料在界面蒸发应用中一直面临本征光热转换效率低和长期循环稳定性的问题。因此，如何提高材料的光热转换性能和长期使用的稳定性，是今后发展聚合物光热材料的首要任务。

表 4总结了近年来一些典型的聚合物作为光热材料用于太阳能水蒸发的研究进展。从表中可以看出，聚合物材料在太阳能水蒸发领域也具有很大的应用前景，蒸发效率可接近90%。此外，通过结构设计来优化水传输，可在一定程度上提升装置的蒸发性能，为装置的实际应用提供了理论可能。

表 4

表 4 聚合物光热材料用于太阳能水蒸发的性能比较

Table 4. Performance comparison of polymer photothermal materials for solar water evaporation

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Evaporator	Photothermal material	I/(kW·m^-2)	v/(kg·m^-2·h^-1)	η/%	Ref.
PPy/MF	PPy	1	1.574	90.4	[52]
PPyP	PPy	1	2.99	85.89	[53]
3D PMC	PPy	1	3.37		[54]
PSSE	PPy	1	3.72		[60]
PPy-A	PPy	1	2.03	93.3	[61]
PANI/fabric	PANI	1	1.94	89.9	[55]
PCCF	PANI	1	1.47	97	[56]
PANI-SPPSU@PU	PANI	1	1.91	83.59	[62]
PANI/HNTs@PU	PANI	1	1.61	94.7	[63]
P-CHG	PANI	1	3.02	89.09	[64]
PDA/PNIPAm	PDA	1	7.18		[57]
PDA/TOB@CA	PDA	1	1.61	>90	[58]
PDA-sponge	PDA	1	1.18	85.4	[65]
PAS aerogels	PDA	1	1.71	98.7	[59]
CFM@PDA	PDA	1	1.79	92.6	[66]

3.5 复合材料

除了单一的光热转换材料外，复合光热材料也因其协同光热效应而备受关注。顾名思义，复合材料通常由2种或2种以上的材料复合而成，材料具有多样性，且光热转换机理往往也比较复杂。构建复合材料的优势在于有效增强太阳光的利用效率；同时，多组分物质的协同作用也能使体系的蒸发性能获得突破性的提高。目前，在蒸发装置中对于光热材料的选取，复合材料已占据主导地位，各种结构与形态的复合光热材料被广泛用于太阳能水蒸发领域(图 6)。

图 6

图 6. 复合材料的常见结构

Figure 6. Common structures of the composite photothermal materials

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以半导体材料为基础，与其进行复合所得的光热材料如金属-半导体、半导体-半导体以及聚合物-半导体等复合材料，不断进入大众视野。研究表明，金属-半导体复合材料中金属纳米粒子的LSPR效应可以和半导体的高光活性相结合，使优化后的复合材料具有更广泛的光吸收和转化能力。Yi等^[67]将Al纳米粒子引入到黑色TiO₂中得到了一种新型的Al-Ti-O纳米结构，内部具有光学协同作用的Al-Ti-O在1 kW·m^-2的太阳光照射下，光吸收率达到90.32%。Wang等^[68]则将Au纳米颗粒掺入到TiO_2-x中，发现Au/TiO_2-x复合材料的光热转换效率得到了明显的提升，高于单一组分材料的性能。

半导体与半导体之间的复合也能赋予材料优异的光热性能。以Ti₃C₂为代表的新型半导体材料MXene对Vis区的光吸收率可达85%，但对IR区的吸收仅有55% 左右。因此，Wang等^[69]利用Ti₃C₂较大的比表面积，在其表面生长纳米级的吸收层来提高材料在NIR区的光吸收率。他们通过一种简单的水热方法使NiS₂立方纳米晶均匀地包覆在Ti₃C₂表面，由此得到自组装的NiS₂@Ti₃C₂。当入射光遇到纳米尺寸(20~30 nm)的NiS₂粒子时，粒子发生偶极共振，有效促进了材料对红外光的吸收。因此，NiS₂@Ti₃C₂在NIR区的光吸收率提升到80% 以上，在Vis区的光吸收率达到88.5%。

此外，将聚合物与半导体进行复合也是开发光热材料的研究热点之一。如前文所述，MoS₂纳米材料具有良好的光吸收性能、易于合成且成本相对较低，被广泛认为是最有前途的太阳能净水材料之一，但作为单一光热材料，其光热效率和蒸发性能仍然不尽人意。因此，Lin等^[70]引入了一种新型的光热聚合物N-苯基甘氨酸(PNPG)，构建出稳定的PNPG/MoS₂纳米杂化材料。该材料利用广谱太阳光来高效净化水体，环境友好的MoS₂扩大了光热聚合物PNPG的光吸收能力，产生了协同的光热增强效应，因此，PNPG/MoS₂光热膜在1 kW·m^-2下，蒸发速率为1.65 kg·m^-2·h^-1，蒸发效率高达90.1%。

以碳基材料为基础，将其它材料与其进行复合所得的光热材料被证实可实现一定程度上的优势互补，现也被大量报道。金属由于LSPR效应可以产生强烈的等离子体加热性能，将其与具有宽光谱吸收的碳纳米材料相结合，不仅可以增强对太阳光谱的吸收能力，提高光热转换效率；而且碳材料作为支撑层还能维持金属材料的结构完整性。利用这一点，Yang等^[71]将单壁碳纳米管(SWNT)和等离子体金纳米棒(AuNR)组装成了一种双层Janus膜。得益于金属-碳复合材料出色的光热转换能力以及互联的多孔结构，该双层膜在5 kW·m^-2的太阳辐射下具有近94% 的蒸发效率，并在长时间的光照循环下性能保持稳定。Ren等^[72]通过热解的方法，将石墨烯层成功包覆在了铜纳米颗粒的表面上，不仅保证了有效的光吸收，还解决了铜纳米颗粒容易氧化的问题，使得该复合材料在1 kW·m^-2的照射条件下，蒸发速率达到1.54 kg·m^-2·h^-1。

将半导体与碳进行结合，得到的光热复合材料也极具竞争力。在我们的工作中^[73]，将MoS₂原位生长到生物碳上，成功制备了MoS₂/C复合材料，现已作为光热材料被广泛应用。Zhang等^[74]采用低温碳化法先制备了生物碳，然后通过水热沉积MoS₂纳米片得到MoS₂/生物碳复合材料(MBCF)。该MBCF材料在1 kW·m^-2的光照强度下达到了96% 的光吸收率。其中，MoS₂作为顶部光热转换材料，而生物碳一方面由于大量存在的垂直微通道可以输送水，有效帮助蒸发，另一方面还起到支撑作用，提高了体系稳定性。与C复合的半导体材料除MoS₂外，还包括MnO₂等本征黑色、对太阳光有良好的吸收的材料。Wang等^[75]将棉秆(CS)和MnO₂共水热碳化制备的新材料(H-CS/MnO₂)在1 kW·m^-2的光照下，蒸发速率达到2.43 kg·m^-2·h^-1，蒸发效率为93.46%。本课题组也成功将MnO₂与包菜衍生C共组装，所得MnO₂/C在太阳能水蒸发领域有着良好的应用前景^[75-76]。Xi等^[77]则将具有宽光谱吸收能力的TiO_2-x引入到rGO气凝胶中，有效解决了相变材料的易开裂与易渗透的问题，实现了光热收集和蓄热一体化，在1 kW·m^-2的光照强度下光热转换效率达到89.9%。

不同碳基材料之间的结合也能在一定程度上提升复合材料的光热性能。Wang等^[78]将具有不同纳米形貌的rGO和多壁碳纳米管(MWCNTs)复合在一起，通过合理的设计来控制和优化rGO-MWCNT光热层的表面粗糙度，从而最小化光反射以拓宽材料吸收太阳辐射的范围。另一方面，复合材料疏松的内部多孔结构和一定的润湿性确保了蒸发过程中水在光热层内的传输。在1 kW·m^-2的光照强度下，rGO-MWCNT复合膜的蒸发速率分别比纯rGO膜和MWCNT膜高79.0% 和8.9%，蒸发效率可稳定在80.4%。Hu等^[79]同样选用了MWCNTs作为光热原材料，将其和海藻酸钠(SA)引入到GO中得到了具有多孔网络结构的GO-SA-CNT气凝胶。该材料在1 kW·m^-2的光照强度下蒸发效率可达到83%。GO-SA-CNT这种复合材料的优势有3点：(1) MWCNT的引入，实现了更为高效的太阳能吸收(约92%)；(2) GO气凝胶固有的低导热系数使蒸汽产生所需的热局部化；(3) SA的添加使复合材料具有良好的亲水性。

此外，聚合物与碳材料结合得到的复合光热材料也具有良好的光热性能。在我们的工作中，将PPy与氮掺杂多孔碳进行共组装，得到复合材料PPy-650，该PPy-650具有良好的光热转换效应，在300~2 500 nm区域的光吸收率为98.23%，在700 W·m^-2的光照下，温度可以达到66.2 ℃^[80]。同时，将聚合物与碳材料进行组装并用于界面水蒸发也被广泛报道。Wang等^[81]开发一种由rGO和聚氨酯(PU)组成的新型太阳能蒸发装置。共价交联到PU基质上的rGO纳米片具有良好的稳定性和广泛的光吸收能力；同时，PU具有隔热性能，使得光照下局部热能迅速增加；并且，rGO/PU的亲水链段和相互连通的孔结构可以作为水传输通道。这些优势功能的集合使得该复合材料在10 kW·m^-2的光照下，蒸发效率达到81%。Liu等^[82]通过一步水热法聚合得到酚醛泡沫(PAF)，并在其表面涂覆了一层薄碳灰，制得一种光吸收率约为90% 的双层光热材料(CPAFs)。在1 kW·m^-2的光照强度下，该CPAFs具有1.492 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率。其中，PAF具有表观密度低、隔热性能好、孔结构丰富、柔韧性好以及超亲水等优点，是理想的光热材料，而表面的碳灰涂层保证了材料的高吸光率。

除了上述提到的复合材料外，不同聚合物之间以及3种材料进行复合的工作也不断被报道。如利用PDA既有红外吸收的作用，又可以通过氢键和π键的相互作用来黏结光热PPy和沙粒，可获得稳定的黑沙材料(PPSD)^[83]。这种复合多功能性的PPSD具有良好的水传输通道和光热性能，在1 kW·m^-2的太阳照射下蒸发速率达到1.43 kg·m^-2·h^-1，可以保证高效和可持续的净水。同样地，利用PPy出色的太阳光吸收能力，将其渗透于凝胶网络中，可得到一种多级高分子复合微纳结构凝胶(HNG)^[84]。其中，PVA网络可以束缚水分子，消除水的对流热损失；而HNG微米通道和内部间隙则保证了传质过程的有序进行，使得体系在1 kW·m^-2的光照下，具有3.2 kg·m^-2·h^-1的高蒸发速率。同时，该HNG凝胶还具有良好的稳定性和耐久性，实际应用价值高。

将3种材料进行复合被认为是一种有前景的光热材料设计方案。Fan等^[85]报道了一种层次化的太阳能吸收结构，它包括由垂直排列的MXene纳米片构成的3D MXene微孔骨架、表面嵌有Co纳米颗粒的金属-有机骨架衍生的2D碳纳米板垂直阵列，最终构成Co纳米颗粒-碳质纳米片/MXene泡沫(Co-CNS/M泡沫)。这种半导体-金属-碳3种材料的结合，首先确保了良好的光吸收能力和光热转换效率；其次，碳纳米板阵列与多孔骨架结构的结合显著降低了导热系数；第三，垂直排列的多孔结构具有固有的亲水性表面，使水能够在整个装置中快速传输；第四，MXene纳米片表面的碳纳米板阵列显著提高了MXene基骨架在恶劣条件下的化学稳定性。基于以上几点，该装置在1 kW·m^-2的光照强度下，蒸发速率为1.393 kg·m^-2·h^-1，蒸发效率最高可达93.4%。

表 5总结了近年来一些复合材料作为光热材料用于太阳能水蒸发的研究结果。从表中可以看出，复合材料的蒸发效率可以达到90% 以上。目前，复合材料的研究已成为主流趋势。然而，复合材料仍存在一些不足，如制备过程相对复杂和结构难以精准控制，同时协同增强作用是否能够充分发挥也具有一定的未知性。因此，如何提高材料的稳定性、应用性，实现多种材料之间的协同增强作用以及在复合过程中合成手段和设备的要求仍是不小的挑战。

表 5

表 5 复合光热材料用于太阳能水蒸发的性能比较

Table 5. Performance comparison of composite photothermal materials for solar water evaporation

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Evaporator	Photothermal material	I/(kW·m^-2)	v/(kg·m^-2·h^-1)	η/%	Ref.
Al-Ti-O	Al, Black TiO₂	1	1.24	77.52	[67]
Au/TiO_2-x	Au, TiO_2-x				[68]
NiS₂@Ti₃C₂	NiS₂, Ti₃C₂	1	1.27	83.84	[69]
PNPG/MoS₂	MoS₂, N-phenylglycine	1	1.65	90.1	[70]
SWNT/AuNR	Au, CNTs	1	1.23	82	[71]
Cu@C/CLS	Cu, GF	1	1.54	90.2	[72]
MBCF	MoS₂, Biochar	1	1.49	85	[74]
TiO_2-x/rGO aerogel	TiO_2-x, rGO				[77]
rGO/MWCNT membrane	rGO, CNTs	1	1.22	80.4	[78]
GO-SA-CNT aerogel	GO, CNTs	1	1.622	83	[79]
rGO/PU	rGO, PU	10	11.2	81	[81]
CPAFs	Carbon soot, PAF	1	1.492	87.86	[82]
PPSD	PDA, PPy	1	1.43		[83]
HNG	PPy, PVA	1	3.2	94	[84]
Co-CNS/M foam	Co, carbon nanoflake, MXene	1	1.393	93.4	[85]

4. 蒸发装置研究进展

为获得优异的蒸发性能，太阳能蒸发装置本质上需要满足2个基本设计原则：(1) 通过材料设计实现对全波长太阳光的吸收，并进行高效光热转换；(2) 对装置结构进行设计以完成额外光的吸收，并达到输水、隔热等功能。前文已详细介绍了光热材料的种类、光热机理以及性能效果。下面本文将从装置结构出发，讨论如何在不牺牲材料本体光热性能的前提下，搭建出一套高效、便捷的蒸发装置。

4.1 太阳能蒸发装置研究现状

4.1.1 体积式蒸发装置

目前，常见的太阳能蒸发装置有2种：体积式蒸发装置和界面式蒸发装置^[87]，如图 7所示。体积式蒸发装置又称纳米流体，搭建该蒸发装置时，首先将光热材料纳米颗粒均匀地分散到水体中；接着，在太阳光照射下，纳米颗粒吸收阳光并将其转化为热量从而加热周围水体获得水蒸汽；之后，水蒸汽借助周围气泡所带来的浮力不断上升，最终移动到气-液界面处被释放，纳米颗粒则回到溶液中重复蒸发过程(图 7a)。

图 7

图 7. (a) 体积式和(b) 界面式蒸发装置示意图

Figure 7. Schematic diagrams of (a) volumetric and (b) interface evaporation devices

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该方法与不添加光热材料仅单独加热整体水相比，可明显提高水蒸发速率与蒸发效率。但体积式蒸发装置的结构设计仍存在一定的缺陷，如热损失过大、太阳光吸收率较低等。此外，体积式蒸发装置也因为存在回收利用率较低、循环稳定性差等问题而在实际的应用中受到限制。因此，太阳能驱动的新型水蒸汽发生装置通常采用界面式蒸发装置(图 7b)。

4.1.2 界面式蒸发装置

界面式蒸发装置是将工作环境引入到空气-水界面，使太阳光的收集过程局部化，这大大减少了由于水体的漫反射而导致的太阳光损失，增加了光吸收率。同样地，在空气-水界面的蒸汽产生过程也被局部化，在界面处产生大量的水蒸气，减少了热损失。如图 7b所示，常见界面式蒸发装置分为两部分：太阳能吸收层和基底支撑层。太阳能吸收层的主体是光热材料，它负责在太阳光辐射时吸收大量的光子能量，并将其富集锁定在空气-水界面处，通过光热转换，提供水蒸发所需的热量。该过程极大降低了由反射和透射引起的辐射热损失。此外，具有良好亲水性、微孔结构、低导热系数的基底支撑层则负责将底部的水源源不断地输送到空气-水界面用于蒸发，并尽可能减少传热过程中的能量损失。因此，通过同时工作的太阳能吸收层和基底支撑层两部分，界面式蒸发装置能够完成吸水-蒸发的过程，并在条件满足的情况下持续进行。

4.2 高效界面太阳能蒸发的策略

根据目前的文献报道，性能良好且可应用于海水净化的太阳能蒸发装置需要满足以下条件：(1) 优异的光吸收能力；(2) 出色的水传输能力；(3) 良好的耐盐防污能力。本论文将针对上述3个条件，讨论通过装置设计提升蒸发器性能的策略。

4.2.1 增强太阳光吸收

通常情况下，当太阳光照射到地球表面时，由于大气层中的气体分子及悬浮微粒的折射和散射作用，会导致太阳光的入射量减少，因此引入概念AM1.5G(global)，它是指天顶角为48.2°时的相对等效大气质量，光功率密度一般取1 kW·m^-2作为标准。在AM1.5G下，分布在地球表面的太阳能覆盖了250~2 500 nm的波长范围，其中包括250~400 nm的UV光区(占总能量的3%)、400~760 nm的Vis光区(占总能量的45%)以及760~2 500 nm的NIR光区(占总能量的52%)，如图 8所示^[88]。因此，为实现高效的太阳能蒸发，光热材料的选择至关重要，目前研究的主要挑战是如何将光热材料对太阳光谱的响应范围拓展到UV-Vis-NIR全波段，达到对太阳光的最大吸收，并且使材料具有优异的光热转换效率。

图 8

图 8. 模拟太阳光的光谱辐照度

Figure 8. Spectral irradiance of simulated sunlight

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目前已经报道了一系列的光热材料，如金属、半导体、碳和聚合物，根据特定的光热转换机理，它们有着不同的太阳光吸收范围，太阳光吸收率成为了选择光热材料的关键参数之一。由于LSPR效应，金属在Vis-NIR区中具有明显的光吸收；由于电子-空穴对的产生和弛豫，半导体在UV-Vis区集中吸收太阳光，但也有一些半导体材料具有特殊的LSPR效应，使得它们的光吸收范围可拓宽至NIR区；碳和一些聚合物则在整个太阳光谱中都有着较高的太阳光吸收能力。为了进一步增强太阳光吸收，研究者们陆续提出了各种结构工程方法来有效提高光热材料的光吸收能力。这里主要讨论一些具有代表性的策略：

4.2.1.1 调节材料尺寸、形貌、晶体结构有效拓宽光吸收区域

Gong等^[89]采用高能材料诱导超快爆燃的方法将银量子点(Ag QDs)负载到rGO上，并通过实验证明银纳米颗粒的大小对太阳能光热转换性能有很大影响(图 9a)。Sun等^[90]通过氢化作用，将半导体WO₃转变成准金属相WO_2.9，增强了材料在UV-Vis-NIR区的光吸收，太阳光总吸收率可达90.6%(图 9b)。Zhao等^[91]采用静电组装与苯胺原位聚合相结合的策略来控制GO表面形貌，使GO表面与聚苯胺(PANI)纳米锥阵列完全杂化，形成高度可折叠的周期性结构复合材料(PG)，太阳光吸收率可达到95% (图 9c)。此外，还有大量的研究报道表明，通过改变半导体材料的结构和成分、构筑缺陷来调节禁带宽度可以增强材料对太阳能全光谱的吸收能力，并赋予高效光热性能。这一部分在前面的光热材料研究进展中有详细的探讨，这里不再赘述。

图 9

图 9. 各种增强光吸收的材料及结构设计的示意图: (a) Ag QDs/rGO的合成^[89]; (b) WO_2.9的合成^[90]; (c) PANI-GO表面的热分布^[91]; (d) 3D Cu@C/CLS的蒸发结构^[72]; (e) PPy-SFD的合成^[94]; (f) 碳化玉米芯^[95]; (g) FCPP的合成^[96]; (h) CB/PAN光吸收层的表面纹理^[97]; (i) 花状、杯状、锥形、拱形的蒸发结构和(j) 2D和3D光热材料的能量损失对比^[31]

Figure 9. Schematic diagrams of various materials and structural designs with enhanced light absorption: (a) synthesis of Ag QDs/rGO^[89]; (b) synthesis of WO_2.9^[90]; (c) thermal distribution on PANI-GO surface; (d) 3D Cu@C/CLS evaporation structure^[72]; (e) synthesis of PPy-SFD^[94]; (f) carbonized corncob^[95]; (g) synthesis of FCPP; (h) surface texture of the CB/PAN light absorption layer^[97]; (i) evaporation structures of flower-shaped, cup-shaped, cone-shaped, and arch shapes, and (j) energy loss comparison between 2D and 3D photothermal materials^[31]

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4.2.1.2 引入多孔结构以增强光吸收

通过引入多孔结构，可以使光在孔结构内部进行多次折射从而提高光的利用率。Zhou等^[92]通过模板辅助物理气相沉积(PVD)工艺将Au纳米粒子自组装到纳米多孔模板上，制造了一种等离子体吸收器。多孔结构实现了极低的反射率和高效的光耦合，从而显著增强了光吸收。该等离子体吸收器在400 nm~10 μm的波长范围的光吸收高达99%。Zhang等^[93]设计了一种分级多孔SiO₂气凝胶蒸发器。该气凝胶由顶部大孔、底部小孔和介孔SiO₂纳米颗粒构成的多孔壁组成。顶部的大孔增强了光的捕集，在涂覆碳点(CDs)/PDA光热材料后，该蒸发器表现出卓越的光吸收性能。

4.2.1.3 利用生物质的自然多孔结构有效增强光吸收

植物的特殊组织结构使其能很好地吸收太阳光，并将光锁定在植物体内部。因此，保持植物的自然形态将其直接碳化，能大大提升对太阳辐射的吸收率。Ren等^[72]将包覆着超薄石墨烯的Cu纳米颗粒原位生长在了碳化丝瓜海绵的表面，得到了一种高效的水蒸发杂化材料Cu@C/CLS(图 9d)。天然丝瓜海绵(NLS)的开放大孔结构以及微米级通道能够增强光吸收并抑制散射，在300~2 200 nm波长下，Cu@C/CLS的光吸收提高至近99%。Chen等^[94]制备了PPy装饰的3D阵列结构向日葵盘(PPy-SFD)(图 9e)。SFD中每个自然的3D阵列结构单元都能够进行大量光折射。从而使得SFD可以吸收大部分入射光，而PPy修饰后的PPy SFD在宽波长范围(200~2 500 nm)内实现了几乎完全的光收集(约99.3%)。Chen等^[95]将玉米芯进行高温热处理并用于太阳能水蒸发(图 9f)，碳化后的玉米芯光吸收能力出色，光吸收率为98.5%。

此外，在利用生物质自然多孔结构的基础上，还可引入仿生设计进一步优化材料的孔隙结构，从而提高对光的利用率。Geng等^[96]以黑蝴蝶翅膀上的蜂窝状结构为灵感，设计得到仿生分形结构的碳化柚子皮(FCPP)(图 9g)。在柚皮固有的蜂窝状开放细胞孔上静电沉积PPy形成纳米孔隙结构，迫使光进行多次折射，赋予蒸发器98%的太阳光吸收率。

4.2.1.4 设计粗糙表面纹理以增强光吸收

通过设计粗糙的表面纹理也可以极大地增强入射光在太阳能吸收层内的多次折射，有助于增强对太阳光的吸收。Gao等^[97]将炭黑(CB)纳米颗粒嵌入在聚丙烯腈(PAN)纳米纤维中作为光吸收层，材料不均匀的表面使其在250~2 500 nm的波长范围内有98.6% 的太阳能吸收(图 9h)。Li等^[98]用聚二甲基硅氧烷/碳纳米管(PDMS/CNTs)改性三聚氰胺海绵，改性后海绵骨架的表面变得粗糙，在200~2 500 nm范围内具有高达99% 的光吸收率。Meng等^[99]在木质海绵上涂覆了一层沸石咪唑框架(ZIF-8)衍生的纳米结构碳，得到了一种双层太阳能蒸发器。ZIF-8衍生的碳涂层继承了原始ZIF-8的多孔框架，具有龟裂的粗糙形态，使得双层太阳能蒸发器具有约97.8%的光吸收率。

4.2.1.5 构建特殊形状的界面蒸发结构来增强光吸收

最近的研究显示，一些特殊的结构，如杯形^[31]、锥形^[100]、花状^[101-102]、拱形^[103]等(图 9i)均可增强对光的吸收。一方面，蒸发器从常规2D平面结构到3D结构的拓展，大大增加了材料的光接触面积；同时，3D结构与2D结构相比，还能降低漫反射光能量损失。Chen等^[101]报道了一种在木花花瓣上负载光热材料的方法，制备出了新型的等离子体木花。其中，以银多巴胺核壳纳米粒子(Ag@PDA NPs)为主要的光热材料进行集光，将结构设计成具有层次叠放的花瓣状，使得太阳光吸收率高达98.65%。除此之外，Shi等^[31]构建出了一种3D CuFeMnO₄/QGF杯型结构(图 9j)。该特殊的结构中，杯壁可对来自平杯底的漫反射光能和热辐射损失进行回收和再利用，使能量损失大大减少。同样地，将蒸发装置设计成倒锥形能迫使光在锥体内部多次反射^[100]；将蒸发装置设计成拱形能有效增加太阳光与蒸发面的接触面积，从而增强光吸收^[103]。

表 6总结了近年来利用各种结构工程方法设计的太阳能蒸发装置用于太阳能水蒸发的研究结果。从表中可以看出，这些蒸发装置的光吸收能力都很出色，光吸收率可以达到90% 以上，甚至接近100%。目前，对于蒸发装置的结构设计已成为主流趋势，且提高光吸收能力的设计策略多种多样、较易实现，但仍需综合考虑结构工程设计对蒸发器整体蒸发性能的影响。

表 6

表 6 不同太阳能蒸发装置的光吸收能力比较

Table 6. Comparison of light absorption capabilities for different solar evaporation devices

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Evaporator	Photothermal material	I/(kW·m^-2)	Solar absorptivity/ %	Ref.
WO_3-x	WO_2.9	1	90.6	[90]
FCPP	CPP, PPy	1	98	[96]
CP/P	CB, PAN	1	98.6	[97]
PDMS/CNTs@melamine	PDMS, CNTs	1	99	[98]
Ag@PDA NPs	Ag@PDA NPs	1	98.65	[101]
3D CuFeMnO4/QGF	CuFeMnO₄	1	95.5	[31]
3D Cu@C/CLS	Cu@C/CLS	1	99	[72]
3D PPy-SFD	PPy, SFD	1	99.3	[94]
Au/D-NPT	Au	1	99	[92]
C800-ZIF-8 WS	C800-ZIF-8	1	97.8	[99]

4.2.2 充足水供应

除了良好的太阳光吸收能力以外，出色的水传输能力对于提高装置的蒸发性能也不可或缺。提高水传输能力的基本思路是使装置具有多孔结构，可以保证连续供水。根据目前的文献报道，提高水传输能力的方法主要有以下几种：(1) 凝胶装置的构建；(2) 自然水传输结构的利用；(3) 功能性泡沫碳的设计；(4) 与商用吸水高分子共组装；(5) 其他特殊结构的设计。

4.2.2.1 凝胶装置的构建

凝胶是溶液中的胶体粒子(或高分子)在一定条件下相互连接形成空间网状结构并在结构空隙中充满液体(在气凝胶中也可以是气体)的一种特殊的分散系，具有3D交联聚合网络结构。大部分凝胶都具有优异的亲水润湿性，常被用作一体式蒸发装置，同时起到供水和漂浮支撑的作用。常见凝胶有气凝胶和水凝胶。其中，气凝胶质量轻，使用耐久性好，而水凝胶组成多样，物理化学性质可调，可设计性强。

基于凝胶的上述优势，Li等^[104]开发了一种一体化纤维素纳米纤维(CNFs)3D气凝胶蒸发器，如图 10a所示。研究者首先对CNFs进行亲水处理并将其作为蒸发器的芯，确保良好的水输送；其次，对CNFs芯的外部进行疏水处理，起到隔热和漂浮支撑的作用；另外，蒸发器顶部为包埋了炭黑的CNFs，用作光吸收层。在1 kW·m^-2下，该蒸发装置的蒸发速率为4.32 kg·m^-2·h^-1，其中出色的水传输能力是其蒸发效率高的关键。Zhou等^[105]制备了一种将rGO渗透到PVA网络中的混合水凝胶蒸发器(CTH)，如图 10b所示。由于CTH的毛细作用和渗透溶胀效应，能够向蒸发表面供应充足的水，且可以通过聚合物链加速水蒸发，在1 kW·m^-2下，该蒸发装置的蒸发速率为2.5 kg·m^-2·h^-1。此外，Liu等^[102]还制备了一种花状SA水凝胶中空管。SA水凝胶含有大量亲水性羟基，不仅能促进水分的运输。还能在中空管中储存水，从而降低水蒸发所需的能量^[106]；同时，适当长度的水凝胶管可以增加有效蒸发面积，加速蒸发过程。在1 kW·m^-2的光照下，该蒸发装置的蒸发速率为3.2 kg·m^-2·h^-1。

图 10

图 10. (a) CNFs 3D气凝胶蒸发器的示意图^[104]; (b) 混合水凝胶蒸发器的示意图^[105]; (c) 天然木材的SEM图及表面碳化木材蒸汽产生的示意图^[107]; (d) 碳化莲蓬^[108]和(e) 碳化蘑菇用于水蒸发的示意图^[50]; (f) 3D互联多孔碳泡沫^[109]; (g) 低温碳化制备NCF^[111]; (h) 由废PET瓶合成FCF用于界面太阳能蒸发^[112]; (i) 吸水棉作为1D水路的太阳能蒸汽产生测试装置^[118]; (j) MPU-PPU蒸发器工作原理^[114]; (k) PAANa/NWF/CNTs蒸发器^[115]; (l) FRBE制备过程^[116]; (m) 3D CFC-Cone示意图^[117]

Figure 10. (a) Schematic diagram of CNFs 3D aerogel evaporator^[104]; (b) Schematic diagram of hybrid hydrogel evaporators^[105]; (c) SEM image of natural wood and schematic of vapor generation from surface-carbonized wood^[107]; Schematic diagrams of (d) carbonized lotus pod^[108]; (e) Schematic diagram of mushroom for water evaporation^[50]; (f) 3D interconnected porous carbon foam^[109]; (g) NCF prepared by low-temperature carbonization^[111]; (h) Synthesizing FCF from waste PET bottles for interface solar evaporation^[112]; (i) Absorbent cotton as a 1D path for solar steam generation test device^[118]; (j) Schematic diagram of the MPU-PPU evaporator working principle^[114]; (k) PAANa/NWF/CNTs evaporator^[115]; (l) FRBE preparation process^[116]; (m) Schematic diagram of 3D CFC-Cone^[117]

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4.2.2.2 自然水传输结构的利用

自然界中的植物具有天然的水传输组织结构，将植物的这一特殊结构固化，也可用于太阳能水蒸发领域。其中，木材是一个典型的代表。天然木材的主要成分纤维素和半纤维素中含有大量的羟基，具有高度的亲水性，使得木材整体结构亲水，并且木材内部包含着许多微纳米孔和垂直排列的通道，可以由毛细作用将水分从根部输送至顶部，完成快速水传输。Jia等^[107]根据天然木材这一特殊性质，对其表面进行直接碳化处理，得到了一系列木质太阳能蒸发装置(SSGD)，如图 10c所示。该装置在实验中表现出出色的水传输能力，在10 kW·m^-2的光照下，蒸发效率高达12.1 kg·m^-2·h^-1。除木材以外，其他植物如莲蓬(图 10d)、蘑菇(图 10e)、竹子等也被应用于太阳能蒸发领域。碳化莲蓬的层状多孔结构可以有效吸收水分，在1 kW·m^-2的光照下蒸发速率为1.3 kg·m^-2·h^-1^[108]；碳化蘑菇的伞型菌盖孔道结构和纤维柄可以有效吸水，在1 kW·m^-2的光照下，蒸发速率为1.475 kg·m^-2·h^-1；碳化竹子的微通道结构可以有效吸水，在1 kW·m^-2的光照下，蒸发速率为3.13 kg·m^-2·h^-1。

4.2.2.3 功能性泡沫碳的设计

功能性泡沫材料内部含有大量的孔隙，但与生物质内部规则排列的孔道不同，其孔隙无序且与环境相通，在保证供水的同时可以借助环境对流加速蒸发与供水过程。Li等^[109]运用蔗糖经浓硫酸脱水合成了一种亲水性的3D互联多孔碳泡沫材料(图 10f)。在有风的条件下，该碳泡沫在有对流、1 kW·m^-2的光照条件下，蒸发速率达到10.9 kg·m^-2·h^-1。Ahangar等^[110]采用pH控制水热法在三聚氰胺衍生泡沫碳(CFs)上沉积了一层MoS₂涂层。泡沫碳的多孔结构有效地促进了水蒸气的快速逸出，在1 kW·m^-2的光强下，该装置蒸发效率高达94.5%。Bai等^[111]制备了一种N、O双掺杂碳泡沫(NCF)。该NCF具有丰富的N、O基团、3D互连孔和超亲水性(图 10g)，这些特性能够促进水团簇在NCF的内部形成，从而降低水的蒸发焓。在1 kW·m^-2的光照下，NCF的蒸发速率为2.4 kg·m^-2·h^-1。除此之外，Bai等^[112]还设计了一种Fe₂O₃/N, O掺杂碳泡沫(FCF)蒸发器(图 10h)。FCF的低热导率(0.074 W·m^-1·K^-1)、三维互联的孔道、丰富的官能团和超亲水性，使其具有快速水传输能力、高光吸收率(98%)、良好的光热转换和低的蒸发焓。因此，该蒸发器在1 kW·m^-2光照下具有2.50 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率。

泡沫碳和碳化的自然植物相比，二者均为碳材料且利用内部孔隙结构产生的毛细效应来吸收水。自然结构内部孔道通常排列整齐，有许多垂直方向的微通道；而泡沫碳的孔隙结构无序且与环境相通，可设计性更强，在实际海水淡化的应用中可以借助空气对流来加速水蒸发。

4.2.2.4 与商用吸水高分子共组装

商用的吸水高分子有吸水棉、无纺布、聚氨酯(PU)海绵、三聚氰胺海绵、聚二甲基硅氧烷(PMDS)海绵、高吸水性树脂等。吸水棉和无纺布具有垂直排列的微通道和固有亲水性，常被用做1D水路对装置整体进行水分输送。吸水棉通过毛细管作用将水抽吸到太阳能吸收器表面的芯吸能力，可以使水传输与蒸汽产生快速达到平衡(图 10i)。海棉类材料具有三维互通的大孔网络结构，可以通过毛细作用源源不断地将水从底部输送到表面，也具有充足的水供应能力。在实际使用过程中，可以将海绵蒸发器上部进行疏水处理，使其能够漂浮在水面上，这样既能输送水，又能起到支撑作用；并且，海绵的热导率低，通常与光热材料相结合被设计成一体式蒸发装置。例如，Jiang等^[113]将1T/2H MoS₂纳米花嵌入商用的PMDS海绵，在模拟海水(质量分数3.5% 的NaCl溶液)中实现了高效和持久的太阳能脱盐淡化。Wang等^[114]设计了一种双层结构的蒸发器(图 10j)，顶层将MoS₂嵌入到PU海绵中作为光吸收层，底层将PU海绵涂上一层亲水性的PDA涂层，使其具有隔热和输水作用，并利用毛细管力促使水流向顶层热区域。该装置在1 kW·m^-2的照度下显示出85% 的蒸发效率。除此之外，高吸水树脂也有着充足的水供应能力。聚丙烯酸钠(PAANa)高吸水树脂、无纺布（NWF）与商用碳纳米管(CNTs)结合的太阳能蒸发器在1 kW·m^-2和对流条件下可以实现7.47 kg·m^-2·h^-1的高水分蒸发率^[115]，如图 10k所示。

4.2.2.5 其他特殊结构的设计

在水蒸发的过程中，光热材料表面水的供需平衡很容易被忽略，如果供水不足，就会导致热量过剩，降低装置的能量转换效率，限制水蒸汽的产生。因此，不少研究工作通过设计一些特殊的结构以优化水传输路径，实现供水通量与蒸发速率之间的平衡。常见的水路优化路径包括增加分支水路、增强毛细作用、选择顶部供水等方式。例如，Gao等^[116]受到天然树木垂直供水的启发，制备了一种基于精梳聚酯(PET)织物的3D螺旋槽结构蒸发器(FRBE)，如图 10l所示。该FRBE由于其具有独特的多边形截面纤维结构而表现出优异的抽水能力，并且在纱线和纤维之间的螺旋槽结构具有超强的区域水循环能力；同时，加捻将平行纤维排列得更近，有利于增强毛细效应。因此，在1 kW·m^-2的光照下，该FRBE的蒸发速率达到2.89 kg·m^-2·h^-1。Bu等^[117]以荷叶为灵感，采用传统的篮子编织策略设计了一种具有可调供水功能的三维碳纤维-棉基锥形蒸发器(CFC-Cone)，如图 10m所示。通过调整水路(棉杆)的数量，平衡供水与蒸发，当水路数量增加到7时，供水最佳。在1 kW·m^-2的光照下，蒸发速率为3.27 kg·m^-2·h^-1。

由上所述，满足充足的水供应需要开发具有多孔结构的蒸发器，且可以与商用吸水高分子共组装并设计特殊结构来加强供水。最重要的是，需要蒸发与供水保持平衡，才能使蒸发性能达到最佳。

4.2.3 脱盐策略

随着新型太阳能蒸发装置的不断涌现，光热材料和装置结构设计取得了很大的进步，但因为成本较高、技术还未成熟以及缺乏长期稳定性的原因，太阳能蒸发装置仍然没有充分做好实际应用的准备。随着连续的海水蒸发，太阳能吸收层和基底支撑层会出现一定程度的盐累积，这导致了2个严重的后果：(1) 盐累积造成太阳光反射增加，太阳能吸收层捕光能力下降，使光热层效率降低；(2) 盐累积会堵塞装置孔道结构，造成基底支撑层的水传输能力下降，使蒸发速率减小。解决盐累积问题的常规方法是进行物理冲洗或利用洗盐工艺脱盐，但这会中断连续蒸发过程，造成不必要的成本上升以及效率降低，并且清洗过程可能会破坏材料结构。因此，本领域近几年的研究热点转入到具有抗盐能力的太阳能蒸发装置的研究。根据现有的报道，蒸发装置脱盐的策略主要分为6种。

4.2.3.1 控制盐出现在蒸发器指定位置

在利用太阳能蒸发装置处理海水的过程中，盐会在装置的一些位置沉淀、逐渐积聚并停留在装置的表面。这些沉积在装置上的盐有些可以自然脱落并被收集，有一些则需要水洗清除。最近，研究者发现通过对装置结构的设计，可以控制盐沉积在装置局部指定的位置，而不是整个蒸发表面，从而使蒸发器既能稳定地收集水，又能收获盐，实现液体零排放^[119]。这些特殊结构的装置有锥形、倒金字塔形、悬挂式、圆盘式的蒸发器等。

Wu等^[120]采用3D打印技术设计了一种带有微腔阵列的锥形蒸发器(图 11a)。蒸发器表面的微腔阵列可以使海水从锥体的底部传输到顶部。由于自发形成的水膜具有厚度不均匀性和温度梯度，导致海水在蒸发器上的表面张力分布不均，从而产生Maragoni效应，使海水可以持续不断地被输入到锥体顶端。在太阳光的辐射下，蒸发器顶端海水的浓度越来越高。最终，结晶的盐逐渐积累停留在3D蒸发器的锥形节点上，易被收集。类似地，Gao等^[121]报道了一种基于蜂窝状织物(HF)的高效太阳能蒸发器(图 11b)。蜂窝单元的倒金字塔形状导致形成温度梯度(底部高，顶部低)，从而引起液体表面张力差(底部低，顶部高)，产生Maragoni效应。该效应加速了水的向上流动。在蒸发过程中，盐晶体沉淀在蜂窝单元的顶部，易被收集。

图 11

图 11. 各种排盐装置示意图: (a) 3D锥形蒸发器及盐在锥形顶部结晶过程的照片^[120]; (b) 蜂窝状倒金字塔织物^[121]; (c)悬挂式光热织物^[55]; (d) 圆盘式蒸发器^[123]; (e) 钻孔木材蒸发器^[124]; (f) 竹子蒸发器^[51]; (g) 3D仿生桥拱蒸发器表面形成水膜的光学图像^[103]; (h) 拒盐蒸发装置示意图^[125]

Figure 11. Schematic diagrams of various salt-rejecting devices: (a) 3D conical evaporator and photograph of salt crystallization at theconical top^[120]; (b) inverted pyramid fabric^[121]; (c) hanging photothermal fabric^[55]; (d) disc evaporator^[123]; (e) drilled wood evaporator^[124]; (f) bamboo evaporator^[51]; (g) optical image of water film formed on the surface of the 3D biomimetic bridge arch evaporator^[103]; (h) schematic diagram of the salt-rejecting evaporation device^[125]

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Xu等^[122]受鱼群活动的启发，构建了一种膨胀聚苯乙烯(EPS)核/GO壳的颗粒自组装蒸发系统。由于表面张力的作用，自组装的颗粒上方会形成一层顶部较薄且不均匀的盐水膜。由于颗粒顶部的盐水膜在太阳光照射下蒸发得更快，盐晶体倾向于在粒子顶部的水膜中成核和生长。当有外界刺激时，颗粒会自动旋转从而实现自清洁。该系统在1 kW·m^-2的光照下，蒸发效率超过90%，产盐率高达0.39 kg·m^-2·h^-1。

区别于传统的漂浮式蒸发器，Liu等^[55]设计了一种悬挂式蒸发器(图 11c)，将光热织物以悬挂的方式固定，使边缘高于中心。在海水蒸发过程中，高浓度的盐最终被聚集到织物的中央，最后从底部滴落被收集，不会在光热材料表面上形成固体盐沉积。此外，Xia等^[123]还构建了一种特殊的圆盘形蒸发器(图 11d)。圆盘的中心垂直安装一根棉线，用于将海水从水体输送到蒸发盘表面，然后沿圆盘中心向边缘扩散。由于圆盘表面的水蒸发速率相同，而盐水浓度由盘中心到边缘逐渐增加，最终导致盐在圆盘形蒸发器的边缘产生结晶，并在重力作用下自动从蒸发器上脱落，便于收集。

4.2.3.2 构筑特殊孔道结构实现蒸发器自清洁

利用蒸发器的多孔结构实现蒸发器的实时自清洁，该设计依赖于对离子传输的理解。以自然为灵感的独特通道设计利用了植物中丰富、开放的微通道，可以通过自身内部的导管和微孔与海水之间实时进行盐分交换，使蒸发器内部盐离子浓度保持在一个较低的水平。即使长时间脱盐也不会产生盐结晶导致影响水分蒸发，保证了装置的长期稳定性。

Kuang等^[124]在表面碳化的自然木材中通过表面钻孔，引入了大量毫米级通道(图 11e)。在水蒸发过程中，这些毫米级的孔道可以使微孔里面的盐与本体溶液快速交换，从而实现长期稳定脱盐。类似地，Bian等^[51]报道了一种碳化竹子蒸发器，保留了竹子的原始结构，竹芯内部孔道类似于上述木材钻孔通道的作用(图 11f)。在太阳光照射下，该蒸发器可以在模拟海水中连续工作，不会出现盐累积。

受到自然界中的猪笼草口缘结构单向输水的启发，Zou等^[103]设计了一种具有仿生凹槽阵列的三维桥拱式太阳能蒸发器(图 11g)。类似于猪笼草口缘结构的凹槽可以使盐水及时输送到桥顶并形成连续水膜。由于桥拱与光源的距离可以产生温度梯度(底部低，顶部高)，从而引发Maragoni对流，使顶部高浓度的盐溶液迅速流回水体，从根本上抑制了盐在高温区的积聚，实现了长期的稳定脱盐。此外，Ni等^[125]还设计了一种特殊的拒盐蒸发装置，该装置由表面的黑色光吸收层和底部的特殊隔热结构层组成(图 11h)。其中，隔热结构由聚苯乙烯泡沫和白色纤维素织物交替制成。由于白色织物多孔且亲水，可以快速芯吸水到蒸发装置表面，同时平流和扩散高浓度盐水回到水体，可以实现长期稳定脱盐。

与控制盐出现在蒸发器特定位置的策略相比，通过构筑特殊孔道结构、使蒸发器内部的盐分与本体水进行实时交换，从而实现蒸发器自清洁的策略显得更简单，也可以实现长期稳定太阳能蒸发海水脱盐。

4.2.3.3 构建Janus结构来有效阻盐

Janus结构是指具有2种不同组成或性质的不对称结构。本课题组曾设计了一种Janus结构的活性炭，活性炭的一侧涂有一层分级多孔聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯，P(VDF-HFP)HP)，该结构集成了太阳能加热和辐射冷却功能，可用于变温吸附捕获CO₂^[126]。活性炭具有良好的光吸收和光热转换能力，在300~2 500 nm太阳波长范围内的平均吸收率可以达到96.22%，在700 W·m^-2的光照下其温度可以达到59.5 ℃；而涂覆了P(VDF-HFP)HP的一侧在吸收太阳光后表面温度会降低。同时，P(VDF-HFP)HP还具有超疏水性，可被用作自修复防污材料，在海水脱盐淡化领域也有着良好的应用前景^[127]。当然，如果构成的Janus结构是膜，则膜的两面性质是相反的，这个相反的属性文献报道的有2种类型：一种是膜的两侧具有不同的润湿性，另一种是膜的两侧具有相反的电荷^[128]。将Janus膜应用于界面太阳能水蒸发能够在不牺牲蒸发速率的情况下实现优异的耐盐和防污性能。

对于亲疏水性不同的Janus结构，上层往往被设计成疏水性，可以让水蒸气快速通过，并起到阻盐作用；底层设计成亲水性，能够有效地转移水分且使污染物被分散在亲水层下方的大量水中^[129]。基于这一思路，Tian等^[130]制备了Janus结构的CB@SBS/棉织物蒸发器(图 12a)。该蒸发器的多孔疏水结构可以避免盐水浸润并实现有效拒盐，即使在3.5% NaCl溶液中，它也能保持1.37 kg·m^-2·h^-1的高水蒸发速率，并且稳定运行15个循环后，表面没有盐积累。同样地，Xu等^[131]也设计了一种Janus结构，上层的疏水碳黑(CB)纳米颗粒覆盖聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)用于光吸收，下层的亲水性聚丙烯腈(PAN)用于水传输。在水蒸发过程中，盐只能沉积在亲水性的PAN层中，并不断被毛细吸附上来的水快速溶解。该Janus蒸发器在1 kW·m^-2的光照下，蒸发效率为72%，蒸发速率连续16 d稳定在1.3 kg·m^-2·h^-1。此外，Sun等^[132]合成了碳化钨/碳(WC/C)纳米复合材料并将其均匀附着在棉布表面，构建了一种用于太阳能脱盐的Janus膜。其中，涂覆了WC/C复合材料的棉布表面具有疏水性，可以加速水蒸汽扩散，而未涂覆的棉布另一面具有超亲水性，有助于重新溶解盐晶体。该Janus膜在1 kW·m^-2的光照下、3.5% NaCl溶液中，蒸发速率和效率分别达到1.50~1.58 kg·m^-2·h^-1和90%~93%。

图 12

图 12. 不同装置示意图: (a) CB@SBS/棉织物Janus太阳能蒸发器及其工作机理^[130]; (b) Janus-IS水凝胶蒸发器^[133]; (c) 利用虹吸效应传输水的太阳能蒸发装置^[134]; (d) STPV^[138]; (e) 耐盐太阳能蒸发器的分层设计^[139]

Figure 12. Schematic diagrams of different devices: (a) CB@SBS/cotton Janus solar evaporator and its working principle^[130]; (b) Janus-IS hydrogel evaporator^[133]; (c) solar evaporation device using siphon effect to transfer water^[134]; (d) STPV^[138]; (e)layered design of a salt-resistance solar evaporation device^[139]

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在太阳能水蒸发领域，具有不同亲疏水性的Janus结构的设计比较常见，而另一种具有相反电荷的Janus结构的报道则相对较少。其中，He等^[133]制备了一种离子选择性水凝胶蒸发器(Janus-IS)，如图 12b所示。该蒸发器由5层组成：顶部为负载碳颗粒的纤维织物(水路1)作为光吸收层(光热表面)，第二层为仅能使阳离子通过的水凝胶，第三层为纤维织物(水路2)，第四层为仅能阴离子通过的水凝胶，底层(废热表面)为纤维织物(水路3)。盐水中的Na⁺和Cl^-经3条水路输送到蒸发器，随着蒸发的进行，光热表面(水路1)和废热表面(水路3)上的盐浓度变得高于水路2。在水凝胶的浓度差和离子选择性的作用下，Na⁺和Cl^-扩散穿过水凝胶到水路2并返回到本体水中。凝胶对不同阴阳离子的选择性吸附使其内部产生电势，加速了反离子的迁移。因此，该蒸发器具有优异的蒸发性能和耐盐性，在1 kW·m^-2的光照下、质量分数15% 的盐水中蒸发速率高达6.86 kg·m^-2·h^-1。

具有不对称润湿性的Janus薄膜相较于传统的均匀薄膜用于界面太阳能蒸发具有更好的耐盐防污性能。此外，具有相反电荷的Janus结构在近几年逐渐被开发，蒸发性能相较于不对称润湿性的Janus薄膜有更大的提升，可以在高浓度盐溶液中进行连续稳定的脱盐，在未来的应用中有着良好的前景。

4.2.3.4 利用虹吸效应加速水对流以防止盐积累

最近，也有研究者利用虹吸效应来设计蒸发装置。虹吸效应是指由于液态分子间存在引力与位能差，液体会由压力大的一边流向压力小的一边。基于此，Pan等^[134]设计了一种利用虹吸作用的太阳能蒸发装置，如图 12c所示。在光热海绵左右各放置一个烧杯，左端是水源，右端是流出水的收集器。将2个相同高度的PS泡沫分别放置在左端烧杯和中间光热海绵下方，从而使左端烧杯的液位高于光热海绵，使2个烧杯之间形成虹吸作用。盐水在虹吸作用下不断从左端输送到右端收集容器中，使盐水处于动态蒸发过程中，防止了盐析出。在1 kW·m^-2的光照下，该装置蒸发速率为2.45 kg·m^-2·h^-1。Fan等^[135]利用3D打印技术自制了一个太阳能蒸发模块，将光热织物的一侧放置在蒸发器内部的盐水槽中进行连续补水，另一侧垂直悬挂在太阳能蒸发模块上，通过调节水槽与蒸发器垂直向下一侧的高度差来加速水的对流，增强虹吸效应防止盐分积累。在1 kW·m^-2的光照下，该装置蒸发速率为(4.55±0.06) kg·m^-2·h^-1。

相比于利用毛细效应来吸水的漂浮式太阳能蒸发器，虹吸型蒸发装置通常被设计成悬挂式结构来增强水的对流，有效避免了太阳能蒸发过程中盐的积累，性能优异。

4.2.3.5 设计非接触式结构进行太阳能海水脱盐

非接触式结构是指将蒸发器与水面进行分离并与水面保持一定距离，该结构蒸发过程的驱动主要依靠太阳能辐射的波长转换^[136]，即通过光吸收器(也是黑体发射器)将太阳光转化为中红外(MIR)和远红外(FIR)辐射并发射红外光子。水的光吸收系数在Vis-NIR波长处很低，仅有0.01 m^-1，但是在MIR和FIR波长处能够增加几个数量级，达到10⁴ m^-1。因此，辐射的红外光子可以被深度为100 μm的水膜吸收使热量局限在水面上，从而获得更高的表面温度，提高蒸发速率，避免吸收器结垢问题^[137]。

Menon等^[136]将商用的选择性太阳能吸收器/喷涂黑色涂料的发射器安装在聚四氟乙烯(PTFE)垫片上，放置在水面以上约4 mm处，构建了非接触式太阳能蒸发器。该蒸发器的非接触式结构和红外光子辐射耦合，使蒸发增强，并消除了污垢沉积的风险，可以在盐水处理池中长期工作。Bian等^[138]提出了一种利用红外光子作为热源的太阳能光热蒸汽发生器(STPV)，如图 12d所示。吸收器/发射器由4根低热导率柱支撑在PS泡沫上，PS泡沫由无尘纸包裹漂浮在水面上。随着蒸发过程的进行，盐会逐渐积累在无尘纸上。由于湿盐在红外波段的低反射和盐层的多孔结构，可以有效利用红外光子能量，使蒸汽无阻碍地逸出。STPV在高浓度海盐溶液(质量分数20%)中、2 kW·m^-2的光照下，蒸发速率为1.04~1.19 kg·m^-2·h^-1。与其他脱盐策略相比，该策略能量损失较大，蒸发速率略低。结合下面的回收潜热、降低蒸发焓等提高蒸发器性能的策略，该策略设计的蒸发器的性能可能会进一步提高。

4.2.3.6 利用Donnan效应有效防止盐结晶

Donnan效应，也被称为电荷效应，是指带负电的膜与溶液中阴离子之间发生电斥力作用，从而选择性地截留带正电的离子。许多研究者利用Donnan效应来设计蒸发装置，抑制蒸发器内部和表面的盐结晶，从而显著提升蒸发效率。Zhao等^[139]设计了一种分层太阳能蒸发器，其顶部为太阳能吸收器，中间为供水层，底部为隔热支撑层。研究者在供水层上固定大量的带有负电荷的羧基COO^-，由于静电力的作用，海水中的Na⁺离子被限制在其中(图 12e)。这些被限制住的Na⁺离子会产生高化学势，从而改变供水层和盐水之间离子分配平衡，使扩散到供水层中盐离子数量减少。这种基于Donnan效应的太阳能蒸发器能够在15% NaCl溶液中稳定蒸发。在1 kW·m^-2的光照下，长期的蒸发效率为80%。此外，Zhang等^[140]也设计了一种具有类似Donnan效应的双层蒸发器，顶层为嵌有Fe³⁺离子的石墨烯基光热膜，用于光吸收和光热转换；同时，内嵌的Fe³⁺离子还会排斥盐水中的Na⁺离子，从而防止盐积累。底层是由亲水性植酸(PA)和PVA组成的水凝胶，可有效促进水分运输。在1 kW·m^-2的光照条件下，该双层蒸发器对10% 盐水的蒸发速率和蒸发效率分别为3.655 kg·m^-2·h^-1和94.7%，且具有优异的耐盐性。

由上所述，在阻盐方面研究者们已经通过各种有效的方法和手段来清理回收盐或将盐保留在水体中，但还需要考虑海水脱盐后产生的浓缩海水的进一步处理，这仍需研究者们继续努力。

4.2.4 其他提高蒸发性能的装置设计策略

一个性能优异的蒸发装置不仅要有优异的光吸收，还要有充足的水供应，更重要的是应有耐盐防污性能。除此之外，还可以与其他策略相结合来设计蒸发装置以进一步提高性能，比如降低装置的蒸发焓，利用空气对流、抑制中红外波段的热辐射，从环境中获得能量或回收潜热等，下面将逐一介绍这些策略。

4.2.4.1 降低蒸发焓以提高装置蒸发速率

蒸发速率与蒸发焓有关，当输入能量不变时，蒸发焓越低，蒸发速率越高。因此，降低蒸发焓有利于提高蒸发速率。最近，润湿性调节已被证实能够降低多孔蒸发器的蒸发焓^[141]。因此，对水凝胶表面的润湿状态进行化学调整可以增强其蒸发性能。Guo等^[141]用三氯(十八烷基)硅烷(OTS)修饰水凝胶顶部，其中岛状斑块疏水，而表面的其余部分亲水(图 13a)。蒸发过程中，大部分水被限制在亲水区，增加了水膜的厚度，促进了水分子的逃逸，从而提高了蒸发速率。通过控制疏水区域的表面覆盖率，该蒸发器在1 kW·m^-2获得了4.0 kg·m^-2·h^-1的超高蒸发速率。Liu等^[142]设计了一种PAN@CuS纳米纤维分层织物向日型太阳能蒸发器(图 13b)，织物表面组装的大量CuS纳米片中，暴露的S原子破坏了H2O/CuS界面上的氢键，导致织物水蒸发焓急剧降低(从2 406.17 kJ·kg^-1降至1 956.32 kJ·kg^-1)，提高了蒸发速率。并且，在这个向日模型中，海水可以在光热织物的上下表面蒸发，在1 kW·m^-2的光照下，该体系的蒸发速率为2.27 kg·m^-2·h^-1。

图 13

图 13. 各种特殊装置的结构和蒸发原理示意图: (a) 调整表面润湿性的水凝胶^[141]; (b) PAN@CuS纳米纤维分层织物^[142]; (c) 利用对流的CNTs/瓦楞纸^[144]; (d) 3D三角形结构蒸发器^[150]; (e) 3D垂直翅片状蒸发器^[156]

Figure 13. Schematic diagrams of various special devices and their evaporation mechanisms: (a) hydrogel with adjusted surface wettability^[141]; (b) PAN@CuS nanofiber layered fabric^[142]; (c) CNTs/corrugated paper utilizing convection^[144]; (d) 3D triangular evaporator^[150]; (e) 3D vertical fin-like evaporator^[156]

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4.2.4.2 增强空气对流以加速水蒸发

利用强制对流可以加速传热和传质，获得更高的蒸发速率。例如，Wang等^[143]研制了一种螺旋纤维素海绵，在1 kW·m^-2的光照下和额外补充的4 m·s^-1的空气对流流量下，体系可以达到4.35 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率，比自然对流下提高了179%。Liu等^[144]使用涂有CNTs的瓦楞纸得到了类似的结果，当空气对流流量为5 m·s^-1时，体系在1 kW·m^-2的光照下，蒸发速率为5.55 kg·m^-2·h^-1，比自然对流提高了232%，如图 13c所示。Ma等^[145]制造了一种水凝胶，并在室外自然对流的条件下进行蒸发测试。在光功率密度为1 kW·m^-2、气流辅助通量为20~60 mL·min^-1的条件下，该体系的蒸发速率在3.24~3.91 kg·m^-2·h^-1之间。

4.2.4.3 抑制中红外波段热辐射以增强太阳光利用率

抑制中红外波段的热辐射损失，对于实现高的太阳能利用效率而获得良好的蒸发效率也同样重要。Ding等^[146]将Ni纳米粒子分别封装在SiO₂和C壳中并与红外反射层有序组装，得到了一种具有宽太阳光吸收能力(93%)和低红外热发射率(0.096)的光吸收器。将这种光吸收器用于太阳能水蒸发时，在1 kW·m^-2的光照下可以获得1.52 kg·m^-2·h^-1水蒸发速率。其中，该器件中的红外反射层对于热辐射所导致的能量损失至关重要^[147]。Sun等^[148]采用磁控溅射法在玻璃和不锈钢衬底上沉积一系列Mo膜作为红外反射层，通过优化沉积参数，所制得的Mo膜的红外发射率最低可达0.06。通过退火处理，发射率可进一步降低到0.03。Zhao等^[149]通过在芳纶织物(AF)上依次生长PDA和CuS，制备了CuS@PDA/AF织物。该织物具有优异的光吸收率(93.7%)和相较于AF降低的红外发射率(0.59)，有效抑制了热辐射。这些红外热辐射得到抑制的材料有望用于太阳能海水脱盐，获得良好的蒸发效果。

4.2.4.4 获取额外能量或回收潜热来提高蒸发速率

降低蒸发表面的温度可以有效降低蒸发时的热辐射和对流损失。此外，一旦蒸发表面的温度下降到环境温度以下，就会从环境中获得额外的能量，从而进一步提升蒸发速率，使蒸发效率超过理论极限^[150-153]。例如，Li等^[154]研制了一种增加表面积的三维空心锥形吸收体，该吸收体利用水分快速蒸发产生的冷却效应，降低了蒸发表面温度，从而减少了辐射和对流损失，提高了蒸发速率。Shi等^[31]开发了一种三维杯状光热结构，其中蒸发表面的能量损失并没有完全消除，但杯状弯曲的壁结构可以回收热量。在Song等^[150]的工作中，通过使用3D三角形结构产生冷蒸汽，其中倾斜的蒸发表面稀释了入射光强度，导致蒸发表面温度较低，从而消除了热辐射和对流损失(图 13d)。

除了从环境中获得额外的能量，蒸汽冷凝释放的潜热也可以被收集和再利用，从而提高蒸发速率。由蒸汽冷凝释放的潜热通常存在于太阳蒸发表面之上，在先前的工作中已成功将其用于发电^{[153, 155]}。然而，这种类型的能量不能有效地被传统的2D和3D光热蒸发器捕获并重新用于水蒸发。这是因为，在常规的系统中，蒸发表面位于蒸汽冷凝区域之下，导致释放的潜热容易消散到环境中。为了克服这一限制，Wang等^[156]设计了一种由基础蒸发表面(温蒸发表面)和位于基础表面上方的垂直翅片组成的新型3D蒸发器(图 13e)。垂直翅片起到了冷蒸发表面的作用，它可以减少辐射和对流所带来的能量损失，并从环境中获得额外能量，同时还能回收蒸汽冷凝释放的潜热和温蒸发表面下方的能量损失，回收潜热占总回收能量的80% 以上，在1 kW·m^-2的光照下，装置最大蒸发速率为2.94 kg·m^-2·h^-1。

综上所述，高效界面太阳能蒸发需要综合考察光吸收、水传输、耐盐排盐、外界自然条件，以及能源的回收与利用等因素。蒸发器整体结构对物质和能量传输过程的影响是耦合的，为了改善物质传输而改变某些系统结构可能会对能量传输产生负面影响，如蒸发器的孔隙率、蒸发面积、通道尺寸和厚度等。因此，在设计蒸发系统时需要综合平衡能量和物质传输，最大限度地提高太阳能-热能蒸发效率。

5. 结论与展望

太阳能蒸发装置用于海水净化现如今受到了极大地关注。本文总结了太阳能界面水蒸发装置的光热转换机理和蒸发性能计算方法；详细介绍了近十年来组成太阳能蒸发装置的光热材料和装置结构的设计方法；分析比较了提高装置蒸发性能的各种策略——增强光吸收、充足水供应、高效脱盐等的优势与存在的可改进之处。

尽管在光热材料和装置结构设计方面已经取得了显著的成就，但大多数蒸发器的开发和应用仍处于实验室阶段，户外实际应用也只是样机试验阶段，还未做好大规模户外使用的充分准备。同时也存在一些因素制约其推广使用：如低成本、高能效的光热材料的获取还存在一定困难；稳定且耐盐防污性佳的蒸发装置的设计还偏复杂；此外，实际应用时冷凝水的收集效率也相对较低。因此，仍需进一步深入研究以解决太阳能水蒸发装置在实际应用中所面临的问题。具体可以从以下几个方面考虑：

(1) 光热材料的进一步开发。半导体材料的光热转换效率高但光吸收能力较弱，碳基材料与之相反，而金属纳米粒子和聚合物材料成本相对较高。因此，在考虑成本、光吸收率、光热转换效率，以及户外实际使用时光强不稳定的情况下，还需进一步研究开发光热材料，使其能够在任何光强度(包括低光强)下都能够有良好的光吸收能力、出色的光热转换能力，并可通过简单的制备工艺获得。

(2) 蒸发装置的优化与综合设计。为了提高能量利用效率，在设计蒸发器结构时应考虑光吸收、水传输、热管理、耐盐排盐能力等多方面因素的相互影响。这些多种因素之间有时会存在着矛盾的关系，比如水传输速率加快会不可避免地增加能量损失，从而导致蒸发装置的热管理能力较差。因此，在设计蒸发装置时需综合考虑各种因素，保持装置性能平衡。这就需要研究人员充分掌握界面蒸发的理论机制，这对优化与集成界面太阳能蒸发器至关重要。除此之外，还需综合考虑蒸发装置在户外搭建以及大面积投入使用时可能存在的各种问题。

(3) 蒸发装置稳定性的增强。在太阳能蒸发器实际应用于海水脱盐时，需要考虑蒸发器的稳定性和使用周期。目前的研究报道中，对装置的抗盐/阻盐性能的考察还不够充分，也有些装置的抗盐能力还有待进一步提升。为保证光热材料在长期使用过程中不脱落释放到环境中，需要开发具有生物相容性、良好耐腐蚀性和结构稳定性的太阳能蒸发器，并确保可长期使用。

(4) 户外清洁水收集率效率的提升。目前的研究工作通常将蒸发速率和蒸发效率作为评价蒸发器性能的指标，然而对冷凝水收集系统的水收集率的报道仍然有限，这是将蒸发与冷凝系统集成的一项评价指标，也是将清洁水生产技术进一步推向商业化的关键。为解决这些问题，研究人员仍需进一步努力才能完全掌握这项水蒸发技术，并应用到实际中，造福人类。

总的来说，对于本领域而言，基础研究和实践探索都是不可或缺的，我们期待这种绿色、清洁、可持续的太阳能蒸发装置最终实现商业化，服务于人类的生活。

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图 1 三种典型的光热转换机理

Figure 1 Three typical photothermal mechanisms

(a) Plasmonic heating, (b) electron-hole generation and relaxation, and (c) thermal vibration of molecules.

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图 2 几种常见的用于太阳能水蒸发的贵金属及贱金属材料

Figure 2 Several common precious and base metal materials employed in solar water evaporation

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图 3 几种常见的用于太阳能水蒸发的半导体材料

Figure 3 Several common semiconductors employed in solar water evaporation

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图 4 几种常见的用于太阳能水蒸发的碳基材料

Figure 4 Several common carbon-based materials employed in solar water evaporation

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图 5 用于太阳能水蒸发的三种聚合物材料

Figure 5 Three polymers that employed in solar water evaporation

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图 6 复合材料的常见结构

Figure 6 Common structures of the composite photothermal materials

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图 7 (a) 体积式和(b) 界面式蒸发装置示意图

Figure 7 Schematic diagrams of (a) volumetric and (b) interface evaporation devices

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图 8 模拟太阳光的光谱辐照度

Figure 8 Spectral irradiance of simulated sunlight

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图 9 各种增强光吸收的材料及结构设计的示意图: (a) Ag QDs/rGO的合成^[89]; (b) WO_2.9的合成^[90]; (c) PANI-GO表面的热分布^[91]; (d) 3D Cu@C/CLS的蒸发结构^[72]; (e) PPy-SFD的合成^[94]; (f) 碳化玉米芯^[95]; (g) FCPP的合成^[96]; (h) CB/PAN光吸收层的表面纹理^[97]; (i) 花状、杯状、锥形、拱形的蒸发结构和(j) 2D和3D光热材料的能量损失对比^[31]

Figure 9 Schematic diagrams of various materials and structural designs with enhanced light absorption: (a) synthesis of Ag QDs/rGO^[89]; (b) synthesis of WO_2.9^[90]; (c) thermal distribution on PANI-GO surface; (d) 3D Cu@C/CLS evaporation structure^[72]; (e) synthesis of PPy-SFD^[94]; (f) carbonized corncob^[95]; (g) synthesis of FCPP; (h) surface texture of the CB/PAN light absorption layer^[97]; (i) evaporation structures of flower-shaped, cup-shaped, cone-shaped, and arch shapes, and (j) energy loss comparison between 2D and 3D photothermal materials^[31]

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图 10 (a) CNFs 3D气凝胶蒸发器的示意图^[104]; (b) 混合水凝胶蒸发器的示意图^[105]; (c) 天然木材的SEM图及表面碳化木材蒸汽产生的示意图^[107]; (d) 碳化莲蓬^[108]和(e) 碳化蘑菇用于水蒸发的示意图^[50]; (f) 3D互联多孔碳泡沫^[109]; (g) 低温碳化制备NCF^[111]; (h) 由废PET瓶合成FCF用于界面太阳能蒸发^[112]; (i) 吸水棉作为1D水路的太阳能蒸汽产生测试装置^[118]; (j) MPU-PPU蒸发器工作原理^[114]; (k) PAANa/NWF/CNTs蒸发器^[115]; (l) FRBE制备过程^[116]; (m) 3D CFC-Cone示意图^[117]

Figure 10 (a) Schematic diagram of CNFs 3D aerogel evaporator^[104]; (b) Schematic diagram of hybrid hydrogel evaporators^[105]; (c) SEM image of natural wood and schematic of vapor generation from surface-carbonized wood^[107]; Schematic diagrams of (d) carbonized lotus pod^[108]; (e) Schematic diagram of mushroom for water evaporation^[50]; (f) 3D interconnected porous carbon foam^[109]; (g) NCF prepared by low-temperature carbonization^[111]; (h) Synthesizing FCF from waste PET bottles for interface solar evaporation^[112]; (i) Absorbent cotton as a 1D path for solar steam generation test device^[118]; (j) Schematic diagram of the MPU-PPU evaporator working principle^[114]; (k) PAANa/NWF/CNTs evaporator^[115]; (l) FRBE preparation process^[116]; (m) Schematic diagram of 3D CFC-Cone^[117]

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图 11 各种排盐装置示意图: (a) 3D锥形蒸发器及盐在锥形顶部结晶过程的照片^[120]; (b) 蜂窝状倒金字塔织物^[121]; (c)悬挂式光热织物^[55]; (d) 圆盘式蒸发器^[123]; (e) 钻孔木材蒸发器^[124]; (f) 竹子蒸发器^[51]; (g) 3D仿生桥拱蒸发器表面形成水膜的光学图像^[103]; (h) 拒盐蒸发装置示意图^[125]

Figure 11 Schematic diagrams of various salt-rejecting devices: (a) 3D conical evaporator and photograph of salt crystallization at theconical top^[120]; (b) inverted pyramid fabric^[121]; (c) hanging photothermal fabric^[55]; (d) disc evaporator^[123]; (e) drilled wood evaporator^[124]; (f) bamboo evaporator^[51]; (g) optical image of water film formed on the surface of the 3D biomimetic bridge arch evaporator^[103]; (h) schematic diagram of the salt-rejecting evaporation device^[125]

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图 12 不同装置示意图: (a) CB@SBS/棉织物Janus太阳能蒸发器及其工作机理^[130]; (b) Janus-IS水凝胶蒸发器^[133]; (c) 利用虹吸效应传输水的太阳能蒸发装置^[134]; (d) STPV^[138]; (e) 耐盐太阳能蒸发器的分层设计^[139]

Figure 12 Schematic diagrams of different devices: (a) CB@SBS/cotton Janus solar evaporator and its working principle^[130]; (b) Janus-IS hydrogel evaporator^[133]; (c) solar evaporation device using siphon effect to transfer water^[134]; (d) STPV^[138]; (e)layered design of a salt-resistance solar evaporation device^[139]

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图 13 各种特殊装置的结构和蒸发原理示意图: (a) 调整表面润湿性的水凝胶^[141]; (b) PAN@CuS纳米纤维分层织物^[142]; (c) 利用对流的CNTs/瓦楞纸^[144]; (d) 3D三角形结构蒸发器^[150]; (e) 3D垂直翅片状蒸发器^[156]

Figure 13 Schematic diagrams of various special devices and their evaporation mechanisms: (a) hydrogel with adjusted surface wettability^[141]; (b) PAN@CuS nanofiber layered fabric^[142]; (c) CNTs/corrugated paper utilizing convection^[144]; (d) 3D triangular evaporator^[150]; (e) 3D vertical fin-like evaporator^[156]

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表 1 金属光热材料用于太阳能水蒸发的性能比较

Table 1. Performance comparison of metal photothermal materials for solar water evaporation

Evaporator	Photothermal material	I/(KW·m^-2)	v/(kg·m^-2·h^-1)	η/%	Ref.
Au nanoparticles	Au	1		80	[7]
Au nanoturf	Au	1	1.13	91	[24]
Ag-Pss-AG/AG	Ag	1	2.1	92.8	[18]
Pd/wood	Pd	10	11.8	85	[19]
Al/AAM	Al	4	5.7	88.4	[21]
Cu NPs/cellulose membrane	Cu	2		73	[22]
In/MPM	In	3		84.2	[23]

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表 2 半导体光热材料用于太阳能水蒸发的性能比较

Table 2. Performance comparison of semiconductor photothermal materials for solar water evaporation

Evaporator	Photothermal material	I/(kW·m^-2)	v/(kg·m^-2·h^-1)	η/%	Ref.
CuS nanocages	CuS	1	1.63	94.9	[26]
bpCu_2-xTe/cellulose membrane	Cu_2-xTe	3	4.3	96	[27]
PMoS₂-CC	MoS₂	1	1.3	80.5	[28]
CuFeSe₂/wood	CuFeSe₂	5	6.6	86.2	[29]
CZTS nano-assembly device	Cu₂ZnSnS₄	1	1.46	84.5	[30]
3D PQC-19 cup	CuFeMnO₄	1	2.04	ca. 100	[31]
CuCr₂O₄/SiO₂/QGF	CuCr₂O₄	1	1.32		[32]
Black TiO_x	TiO_x	1	0.801 2	50.3	[33]
BTCC	TiO_x	1	1.515	94	[34]
MoO_x HNS	MoO_x	1	1.255	85.6	[35]
Fe₃O₄ MNPs	Fe₃O₄	1		75	[36]
Black MnO₂/wood	MnO₂	1	1.22	81.4	[37]
MXene cellulose membrane	Ti₃C₂	1	1.44	85.8	[40]
Dispersive MoN/Mo₂N	MoN_x	1	1.7	98	[41]
TiN/AAO	TiN	1	1.48	92	[42]

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表 3 碳光热材料用于太阳能水蒸发的性能比较

Table 3. Performance comparison of carbon-based photothermal materials for solar water evaporation

Evaporator	Photothermal material	I/(kW·m^-2)	v/(kg·m^-2·h^-1)	η/%	Ref.
h-G foam	GF	1	1.4	91.4	[44]
VA-GSM	GF	1	1.62	86.5	[45]
GO membrane	GO	1	1.45	80	[46]
rGO nanofluid	rGO	1	1.219		[47]
VACNT	CNTs	15		90	[48]
F-wood	Biochar	3	3.46	81	[49]
Mushroom	Biochar	1	1.475	78	[50]
Bamboo	Biochar	1	3.13	132	[51]

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表 4 聚合物光热材料用于太阳能水蒸发的性能比较

Table 4. Performance comparison of polymer photothermal materials for solar water evaporation

Evaporator	Photothermal material	I/(kW·m^-2)	v/(kg·m^-2·h^-1)	η/%	Ref.
PPy/MF	PPy	1	1.574	90.4	[52]
PPyP	PPy	1	2.99	85.89	[53]
3D PMC	PPy	1	3.37		[54]
PSSE	PPy	1	3.72		[60]
PPy-A	PPy	1	2.03	93.3	[61]
PANI/fabric	PANI	1	1.94	89.9	[55]
PCCF	PANI	1	1.47	97	[56]
PANI-SPPSU@PU	PANI	1	1.91	83.59	[62]
PANI/HNTs@PU	PANI	1	1.61	94.7	[63]
P-CHG	PANI	1	3.02	89.09	[64]
PDA/PNIPAm	PDA	1	7.18		[57]
PDA/TOB@CA	PDA	1	1.61	>90	[58]
PDA-sponge	PDA	1	1.18	85.4	[65]
PAS aerogels	PDA	1	1.71	98.7	[59]
CFM@PDA	PDA	1	1.79	92.6	[66]

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表 5 复合光热材料用于太阳能水蒸发的性能比较

Table 5. Performance comparison of composite photothermal materials for solar water evaporation

Evaporator	Photothermal material	I/(kW·m^-2)	v/(kg·m^-2·h^-1)	η/%	Ref.
Al-Ti-O	Al, Black TiO₂	1	1.24	77.52	[67]
Au/TiO_2-x	Au, TiO_2-x				[68]
NiS₂@Ti₃C₂	NiS₂, Ti₃C₂	1	1.27	83.84	[69]
PNPG/MoS₂	MoS₂, N-phenylglycine	1	1.65	90.1	[70]
SWNT/AuNR	Au, CNTs	1	1.23	82	[71]
Cu@C/CLS	Cu, GF	1	1.54	90.2	[72]
MBCF	MoS₂, Biochar	1	1.49	85	[74]
TiO_2-x/rGO aerogel	TiO_2-x, rGO				[77]
rGO/MWCNT membrane	rGO, CNTs	1	1.22	80.4	[78]
GO-SA-CNT aerogel	GO, CNTs	1	1.622	83	[79]
rGO/PU	rGO, PU	10	11.2	81	[81]
CPAFs	Carbon soot, PAF	1	1.492	87.86	[82]
PPSD	PDA, PPy	1	1.43		[83]
HNG	PPy, PVA	1	3.2	94	[84]
Co-CNS/M foam	Co, carbon nanoflake, MXene	1	1.393	93.4	[85]

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表 6 不同太阳能蒸发装置的光吸收能力比较

Table 6. Comparison of light absorption capabilities for different solar evaporation devices

Evaporator	Photothermal material	I/(kW·m^-2)	Solar absorptivity/ %	Ref.
WO_3-x	WO_2.9	1	90.6	[90]
FCPP	CPP, PPy	1	98	[96]
CP/P	CB, PAN	1	98.6	[97]
PDMS/CNTs@melamine	PDMS, CNTs	1	99	[98]
Ag@PDA NPs	Ag@PDA NPs	1	98.65	[101]
3D CuFeMnO4/QGF	CuFeMnO₄	1	95.5	[31]
3D Cu@C/CLS	Cu@C/CLS	1	99	[72]
3D PPy-SFD	PPy, SFD	1	99.3	[94]
Au/D-NPT	Au	1	99	[92]
C800-ZIF-8 WS	C800-ZIF-8	1	97.8	[99]

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

光热材料在太阳能海水脱盐中应用的研究进展

通讯作者: 吴正颖, E-mail: zywu@mail.usts.edu.cn; 孙林兵, E-mail: lbsun@njtech.edu.cn

English

Research progress on photothermal materials and their application in solar desalination

Corresponding author: Zhengying WU, zywu@mail.usts.edu.cn; Linbing SUN, lbsun@njtech.edu.cn

0. 引言

1. 光热转换机理

1.1 LSPR

图 1

1.2 电子-空穴对的产生与弛豫

1.3 分子的热振动

2. 装置蒸发性能的计算方法

3. 光热材料研究进展

3.1 金属材料

图 2

表 1

3.2 半导体材料

图 3

表 2

3.3 碳基材料

图 4

表 3

3.4 聚合物材料

图 5

表 4

3.5 复合材料

图 6

表 5

4. 蒸发装置研究进展

4.1 太阳能蒸发装置研究现状

4.1.1 体积式蒸发装置

图 7

4.1.2 界面式蒸发装置

4.2 高效界面太阳能蒸发的策略

4.2.1 增强太阳光吸收

图 8

4.2.1.1 调节材料尺寸、形貌、晶体结构有效拓宽光吸收区域

图 9

4.2.1.2 引入多孔结构以增强光吸收

4.2.1.3 利用生物质的自然多孔结构有效增强光吸收

4.2.1.4 设计粗糙表面纹理以增强光吸收

4.2.1.5 构建特殊形状的界面蒸发结构来增强光吸收

表 6

4.2.2 充足水供应

4.2.2.1 凝胶装置的构建

图 10

4.2.2.2 自然水传输结构的利用

4.2.2.3 功能性泡沫碳的设计

4.2.2.4 与商用吸水高分子共组装

4.2.2.5 其他特殊结构的设计

4.2.3 脱盐策略

4.2.3.1 控制盐出现在蒸发器指定位置

图 11

4.2.3.2 构筑特殊孔道结构实现蒸发器自清洁

4.2.3.3 构建Janus结构来有效阻盐

图 12

4.2.3.4 利用虹吸效应加速水对流以防止盐积累

4.2.3.5 设计非接触式结构进行太阳能海水脱盐

4.2.3.6 利用Donnan效应有效防止盐结晶

4.2.4 其他提高蒸发性能的装置设计策略

4.2.4.1 降低蒸发焓以提高装置蒸发速率

图 13

4.2.4.2 增强空气对流以加速水蒸发

4.2.4.3 抑制中红外波段热辐射以增强太阳光利用率

4.2.4.4 获取额外能量或回收潜热来提高蒸发速率

5. 结论与展望

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计量

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

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