深圳大學&河北大學Adv. Sci.綜述：二維光熱材料在水蒸發技術的應用

【引言】

水是我們日常生活的基本需求，缺水已經成為21世紀最令人擔憂的全球挑戰之一。為了提供更好的解決方案，眾多研究者已經在該領域做出了很多努力。其中，利用光熱納米材料的太陽能水蒸發技術被認為是一種可行且綠色的技術，可通過豐富而清潔的太陽能解決水的挑戰。光熱納米材料中的光-熱轉換即利用光熱材料將太陽能輻射轉換為熱的形式。基于納米材料的光熱效應由于在納米級的指定區域具有精確的加熱位置而引起了廣泛的興趣。此外，可調節的表面和結構形態有助于量子限制效應和局部表面等離子共振（LSPR），這進一步增強了光熱性能。由于獨特的形態和物理化學性質，二維納米材料已經受到了廣泛的關注，這歸因于具有較大的吸收面積，在寬廣的太陽光譜中具有很強的吸收能力和有效的光熱轉換能力，可以極大地降低太陽能蒸發裝置的成本并促進其實際應用。目前，關于石墨烯二維材料已經被廣泛報道，但其他新興二維納米材料的光熱水蒸發還未被系統的總結。

【成果簡介】

近日，深圳大學張晗教授、河北大學閆小兵教授（共同通訊作者）總結了基于二維納米材料的光熱蒸發技術的最新進展，主要包括新興的單元素二維材料Xene（磷烯，銻烯，碲烯和硼烯）和多元素二維材料（MXenes和TMDs）。此外，還介紹了從材料到系統的各種設計策略。在材料設計方面，討論了提高光吸收和光熱效率的各種策略，并進一步總結和比較了優化整個光熱蒸發系統的方法。最后，基于解決水挑戰的方案不應帶來新的環境和社會問題的原則，著重強調了二維光熱納米材料在解決水挑戰方面的作用，并為在光熱材料選擇，設計和蒸發系統構建中的實際應用提供可行的方案。相關研究成果以“The Rise of 2D Photothermal Materials beyond Graphene for Clean Water Production”為題發表在Advanced?Science上。

【圖文導讀】

圖一、基于二維光熱納米材料光熱蒸發的示意圖

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?圖二、二維金屬材料和二維半導體的不同光熱轉換機理

圖三、光熱蒸發示意圖（a）基于疏水性d-Ti₃C₂膜光熱蒸發的示意圖；

（b）使用親水性MXene進行全蒸發脫鹽示意圖。

?圖四、光熱蒸發裝置設計（a）SWCNT-MoS₂系統合成的示意圖；

（b）MoS₂系統制備的示意圖；

（c）用于光熱蒸發的化學剝落（ce）-MoS₂；

（d）基于WO_x納米流體的光熱蒸發裝置的示意圖（d1）和高蒸發效率（d2）。

圖五、BiInSe₃基光熱蒸發裝置（a）基于BiInSe₃@CF?的光熱蒸發系統的示意圖；

（b）BiInSe₃制備的PLD的實驗裝置。

?圖六、缺陷調節（a）引入氧空位以增強吸收。（a1）具有不同缺陷水平的WO_x的圖片，（a2）有缺陷的WO_x的標準太陽光譜和相應的吸收光譜；

（b）BiInSe₃中IB輔助吸光。（b1）BiInSe₃器件的吸收光譜和太陽光譜；（b2）通過電子-聲子相互作用對光誘導；

（c）Te納米材料的雙共振模式。（c1）比較Te納米材料與Si（全介電材料）和Au（等離子體材料）的介電常數；（c2）尺寸小于120 nm的Te納米材料的等離子散射；（c3）尺寸大于120 nm的Te納米材料的全介電散射。

?圖七、光熱轉換效率測試（a）基于液滴實驗裝置，用于確定光熱轉化率；

（b）激光輻照時，液滴的熱平衡。

圖八、高水通量膜（a）用于光熱蒸發的親水膜和疏水膜的比較；

（b）小尺寸和大尺寸MXene膜的表面結構和水接觸角；

（c）SWCNT‐MoS₂多孔膜SEM圖像；

（d）原始BNC氣凝膠的SEM圖像；

（e）MoS₂棉布的SEM圖像。

?圖九、材料機械穩定性（a）PMoS₂棉布薄膜穩定的蒸發性能。（a1）PMoS₂棉布的高倍SEM圖像；（a2）在4小時內穩定的蒸發速率；（a3）在32個周期內可重復使用性；

（b）SWCNT-MoS₂雜化膜的穩定的蒸發性能；（b1）SWCNT-MoS₂的?SEM圖像；（b2）在3小時內穩定的蒸發速率；（b3）在20個周期內可重復使用性。

?圖十、光熱材料的穩定性（a）氟化磷烯以增強穩定性。（a1）原子氟化實驗設置和隨時間變化的剝離效果示意圖；（a2）隨時間的吸光度顯示的氟化磷的穩定性；（a3）隨時間變化的光熱曲線；（a4）循環的光熱穩定性。

（b）具有強熱穩定性的氧化石墨烯/磷烯。（b1）用交聯劑D400進行GO凝膠化以進行保護；（b2）磷烯凝膠示意圖；（b3）高溫下磷烯的光熱穩定性。

?圖十一、當前的光熱劑和未來潛在的光熱劑

圖十二、提高光熱蒸發效率的策略

?【小結】

總之，本文介紹了基于二維納米材料的光熱蒸發系統的最新進展。基于各種2D納米材料的光熱機理，可以通過引入原子空位，雙共振光學模式，帶隙調節，相變等來增強太陽光吸收。此外，從水的角度出發，探討了水蒸發通量，熱管理和穩定性對于提升光熱蒸發系統的效率的影響。并從環境和商業應用的角度評估了其他一些特性，例如環境影響和成本。最后，指出了不同的二維納米材料對光熱蒸發應用的挑戰，并提出了相應的策略。值得注意的是，在解決水危機的過程中不應引入新的環境和社會問題。簡而言之，本文指出了基于2D材料的光熱蒸發在解決當前水危機中的重要作用，同時強調了基于綠色能源和環保新材料技術的在解決環境問題的重要性。

文獻鏈接：“The Rise of 2D Photothermal Materials beyond Graphene

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

?張晗教授，男，1984年出生，深圳大學特聘教授、深圳市黑磷工程實驗室主任、博士生導師。美國光學學會會士、基金委“優青”、科睿唯安“高被引科學家（2018/2019）”、廣東省科技領軍人才等。長期從事低維材料光電器件相關研究，以通訊作者發表中科院一區論文超過100篇，包括Physics Reports2篇、PNAS 1篇、Science Advance 2篇、Nature Communications 6篇等；論文總被引超過26000次，H因子為85。張晗教授擔任多個SCI期刊專題主編/編委、中國激光青年編委會秘書長、全國光學青年學術論壇第二屆主席團副主席。科研成果獲得教育部自然科學二等獎、中國產學研合作創新獎、中國光學十大進展、廣東省丁穎科技獎、深圳市青年科技獎、深圳市自然科學獎等。

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?本文由材料人CYM編譯供稿。