光热转换材料的研究现状与发展趋势

光热转换材料用于产生蒸汽，可用于发电、灭菌，解决水污染、海水淡化、能源短缺等关键问题。其中最核心的环节是选择合适的光热转换材料，将光能高效地转变为蒸汽所需的热能。本文介绍了不同材料的光热转换机理，综述了近年来光热转换材料用于产生蒸汽的研究和设计，阐述了光热转换体系未来的研究发展趋势，对光热转换材料用于蒸汽产生的理解和发展具有重要的总结和指导意义。

1 概述

如今，全球都面临环境污染、水污染、能源短缺等问题，这些问题使得低成本、高效的开发、利用新能源和环保能源成为迫切需求。太阳能对人类而言是取之不尽用之不竭的，利用太阳能产生蒸汽可用于污水处理[1]、海水淡化[2]、蒸汽发电[3]等众多领域，而且太阳能已经被应用于光伏[4]、光催化[5]等众多产业，是可以部分替代传统化石燃料的理想能源。

目前，产业化利用太阳能产生蒸汽主要依靠太阳光对水体直接辐照，水体吸收光能转变为热能并产生蒸汽。此过程伴随着各种能量损耗和能量散失，转换效率极低，往往需要各种光汇聚和真空辅助设备，这样不仅增加了转换成本，而且降低了效益。因此，开发低成本、高效的光热转换系统具有极大的经济效益和社会效益。

目前对光热转换材料的研究，主要集中在纳米流体和水气界面材料。纳米流体是指将光热颗粒材料，如金纳米颗粒（Au nanoparticle，AuNP），分散在水中，通过光热转换对水体加热产生蒸汽；水气界面材料是指二维或三维的光热材料，可以自漂浮在水气界面，通过光热转换对材料表面的水层加热产生蒸汽。不论是纳米流体，还是水气界面材料，负责实现光热转换功能的材料，主要包括金属材料、碳材料和半导体材料3种。它们有着不同的工作机理和特点，对其研究也较为深入。

本文沿着纳米流体——二维水气界面材料——三维水气界面材料的脉络，综述了光热转换材料用于产生蒸汽的全面研究进展，介绍了不同材料的光热转换原理、光热转换效率和光热转换影响因素。

2 光热转换机理

2.1 光热转换原理

金属材料具有许多用于热转换的可移动电子，具有独特的等离子体共振效应，是金属结构上发生的独特现象。当入射光的频率与金属中离域电子震荡频率相匹配时，电子会被集体激发产生共振，振动的电子由于阻尼作用将动能转变为热能，局部热量升高，通过热传导实现金属材料温度升高并向周围扩散。

碳材料主要包括sp2和sp3杂化，具有密度高且疏松π电子云，能级非常接近，具有较宽的可见光吸收范围，可见光中绝大部分能量的光子都能被电子吸收从而使本身处于激发态；激发态的电子回落至基态时放出热量，从而使局部温度升高，并向周围的材料和环境扩散。

传统的半导体材料能隙较宽，需要吸收能量较高的入射光，如紫外光，才能将电子激发，并在回落至基态过程中放出热量（图1）。随着半导体材料研究不断深入，具有窄能隙的黑色半导体材料不断被发现，如黑色的二氧化钛（TiO2）和三氧化二鈦（Ti2O3）等，吸收可见光即可以激发电子放热，大大拓展了半导体材料在光热转换中的应用。

2.2 光热转换效率

总的光热转换效率包括蒸汽转换效率η蒸汽和水体吸收光照升温η水体两部分组成。其中，C是水的比热容，m是水体质量， T是水体升高的温度。总的光热转换效率η总常用于纳米流体等非界面材料效率计算。

2.3 影响光热转换的因素

影响光热转换效率的因素主要有3个方面。

第一，材料的光吸收范围和光热性能。材料光吸收范围越大，光热性能越好，则光热转换效率越高。最典型的是传统半导体材料和具有窄能隙的黑色半导体材料，如传统TiO2和黑色的TiO2与Ti2O3之间的对比。传统的白色TiO2具有较宽能隙，一般大于3eV，只能受紫外光激发进行光热转换；而逐渐发展而来的TiO2与Ti2O3通过掺杂的方式，大大缩窄了能隙宽度，可至0.1eV，材料的颜色也受掺杂和氧含量影响改变，可实现由白色向黑色的转变，可见光即能对其电子实现激发，从而产生热效应。

第二，隔热性能。二维水气界面材料向三维水气界面材料的发展，主要受隔热性能的影响。二维材料较薄，难以达到良好隔热效果；三维材料是将二维材料制作成三维体材料，或者在二维材料基础上外加低导热系数的隔热材料，较二维材料有更好的隔热效果，可以提高光热转换效率。

第三，水的运输通路。对二维水气界面材料而言，通过控制材料的密度和材料表面的亲疏水性，使材料漂浮在水气界面，并能够维持表层始终有较薄的水层与光热材料的加热区直接接触；而对三维体系而言，大都需要通过微通路、微管道，利用毛细作用实现水自下而上的运输，水是否能够有效的及时运输，是否能够与光热材料的加热区直接、及时的接触，这些都会对体系的转换效率产生较大影响。

3 光热材料研究进展

3.1 非界面材料

光热材料用于蒸汽产生的研究，其加热方式起始于对整个水体进行加热，从而产生水蒸气。这种方式最贴近生活应用，比如应用较大体积的铜板进行光热转换[7]。由于铜板无法维持在水—气界面，所以沉入水体底部，利用等离子体共振效应产生的热量对整个水体进行加热。Fan等为提高转换效率，用激光处理铜板表面，使其具有花椰菜状的形貌，赋予铜板吸收更宽波长和更大角度入射光的能力，在1kW/m2光强下实现了η蒸汽=60%的蒸汽转换效率。

在早期的非界面材料研究中，对纳米流体的研究是最广泛的。其中最典型的，将贵金属纳米颗粒分散在水溶液中，通过贵金属颗粒等离子体共振效应进行光热转换，实现对水体的加热。如Wang等将AuNP分散在水溶液中，在10kW/m2的太阳光强下实现η总=65%的转换效率[8]；Amjad等在AuNP纳米流体280个标准太阳光强（1标准太阳光强=1kW/m2）下实现了η总=95%的转换效率[9]。除贵金属颗粒外，碳材料也被应用于纳米流体的研究，如炭黑、碳纳米管、石墨烯等等。Ni等在2015年发表在Nano Energy中的一项研究，比较分析了炭黑、石墨化炭黑和石墨烯3种纳米流体光热转换的表现[10]。在10个标准太阳光强下，石墨烯和石墨化炭黑表现出了η蒸汽=69%的转换效率，而炭黑的效率则稍低。此外，这篇文章中还提出了比较新颖的纳米流体结构设计（图2）。在具有2个同心圆结构的圆管中，中间部分是用于产热的纳米流体，外部是负责减少热量散失的凝胶，纳米流体产生的热量通过热电偶输送到水体中。相较简单的将纳米颗粒分散在水中，这种设计表现出更好的可操作性。

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