[NCM综述] 大连理工大学王旭珍教授/北京化工大学邱介山教授：碳基光热材料用于同时产生蒸汽和发电

一、研究背景

全球人口的不断增长与淡水/电力供应不平衡的矛盾日益凸显，给当今社会带来巨大挑战。与常规膜蒸馏、反渗透等耗能较大的淡水制备技术相比，利用地球上取之不尽的太阳能进行海水淡化，是绿色可持续发展的必由之路。然而，传统的太阳能海水淡化技术存在大量的热损失，导致系统蒸发效率较低（30%～45%）。新兴的太阳能驱动界面水蒸发 (SIVG) 技术，通过将光热材料表面的光生热量锁定在材料表面促进水-汽相变，可极大地降低材料向体系外的热量损失，显著提高热量利用率和水蒸发效率，具有良好的可持续性，且环境友好、易于操作。SIVG技术在实现太阳能光蒸汽生产洁净水的同时，在太阳能驱动水电联产领域也存在巨大的潜力，被认为是同时解决水资源短缺和能源危机非常可靠的方案。碳基光热材料 (CPTMs) 因其优异的光热转换性能，可在 SIVG 过程中引入温度和盐度梯度，促进蒸汽和电力产生的协同增强。

二、工作简介

近日，大连理工大学王旭珍教授和北京化工大学邱介山教授团队受邀在New Carbon Materials (《新型炭材料（中英文）》)上发表了最新综述“Carbon-based photothermal materials for the simultaneous generation of water vapor and electricity”，系统综述了基于各种碳基光热材料的SIVG技术用于产生蒸汽和发电（图1）。在阐述 SIVG 的基本原理和关键评价指标的基础上，重点评述了包括氧化石墨烯、碳纳米管、碳点和炭化生物质材料在内的各种 CPTMs 的光热转换和 SIVG 性能，并对水电联产的研究现状进行了分析，提出了应对挑战的策略，旨在为用于同时产生蒸汽和发电的多功能碳基光热材料的发展提供一些指导。

图1 碳基光热材料用于太阳能驱动产生蒸汽，并通过与热电、热电化学或盐度梯度耦合而同时发电

SIVG技术具有低能耗、环境友好、高效率等优点，是一种极有潜力的淡水生产技术。太阳能光热转换基本原理如图2所示，光诱导电场驱动材料内部的载流子发生振动，载流子将获得的能量转化为热量，热量从材料中扩散出去，从而导致周围介质温度升高。由此，一个典型 SIVG 系统的基本结构为：由光热转换材料构成的光热吸收层，由低导热系数材料组成的隔热层，由亲水材料构成的水传输层。蒸发速率、光热转换效率、太阳能吸收率和热损失作为SIVG系统的性能评价指标。

图2 太阳能光热转换过程^[29]与SIVG 系统结构^[33]示意图

光热转换材料作为SIVG系统的核心部件，主要负责收集太阳能并将其转化为热量，从而促进气液界面中的水蒸发。碳基光热材料由于化学稳定性好、光吸收率高，特别适于用作SIVG体系的光热转换材料。因此，文章重点评述了包括氧化石墨烯、碳纳米管、碳点和炭化生物质材料等不同维度的碳基光热材料的光热性能和 SIVG 性能，得益于碳基材料的多孔结构和表面性质调控，其界面蒸发装置实现了高光热转换效率和高蒸发效率。

基于SIVG中形成的温度/盐度梯度，SIVG与热电、热电化学和盐度梯度耦合装置利用太阳能可以实现多功能用途，即发电、隔热、散热和蒸汽冷凝。作者对热电（TE）、热电化学（TEC）和盐度梯度效应发电的原理进行了阐述，并对基于碳基光热材料的SIVG技术应用于水电联产的研究现状进行了分析。以耦合热电效应的SIVG系统为例，图3为基于TE模块和碱土金属离子插层的氧化石墨烯纳米带纸（GONRs-M）的装置在太阳能驱动下分别同时产生蒸汽和发电示意图，提高了能源转换的总体效率。

图3 (a)基于TE模块同时产生蒸汽与电力的示意图^[99]；(b)基于GONRs-M纸的装置同时脱盐与发电的性能^[100]

最后，作者提出了目前SIVG系统面临的挑战及应对策略。（1）理论指导：通过建立标准理论模型，阐明界面水蒸发系统的水传输、热传导和材料的组成、结构之间的构效关系。（2）实验实践：开发新型的碳基复合材料进一步提高光热转换性能。通过更加深入的研究，为高性能实用化碳基界面水蒸发与发电提供可靠的理论和实验依据，以指导用于同时产生蒸汽和发电的多功能碳基光热材料的发展。

文章信息

QIU Zi-han^†, ZHAO Guan-yu^†, SUN Yang, WANG Xu-zhen^*, ZHAO Zong-bin, QIU Jie-shan. Carbon-based photothermal materials for the simultaneous generation of water vapor and electricity. New Carbon Materials, 2023, 38(6): 997-1017.

团队简介

邱介山，教授，北京化工大学，博士生导师，国家杰出青年基金获得者、教育部领军人才、国务院政府津贴专家、国家“有突出贡献中青年专家”及国家“百千万人才工程”人选、全国化工优秀科技工作者。主要从事材料化工、能源化工等方面的研究。在国内外发表论文800余篇，H因子104（Web of Science），ESI高引论文80余篇；煤基碳材料的论文数量(Web of Science)世界第一，引领了煤化学化工学科的前沿发展方向；申请及授权发明专利150余件。荣获省部级科技奖励16项，包括：教育部自然科学一等奖(2项)、辽宁省自然科学一等奖、中国颗粒学会自然科学一等奖、中国化工学会科学技术奖一等奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖、全国服务业科技创新奖一等奖等；获得各类表彰20余次，包括：全国百篇优秀博士论文导师奖、辽宁省青年科技奖、高等学校优秀骨干教师、辽宁省优秀专家、辽宁省优秀科技工作者、大连市优秀专家、2016年果壳科学人组织评选“全能导师奖”等。2018-2022年连续入选科睿唯安全球高引科学家榜单；2019-2021年连续入选Elsevier中国高被引学者榜单(化学工程学科)；2019年入选英国皇家化学会Top 1%高被引中国作者榜单(能源与可持续类)；入选全球顶尖前10万科学家榜单(国内排名139位，全球排名2631位，2022-09)。

王旭珍，教授，大连理工大学，博士生导师，宝钢优秀教师、校教学名师。在纳米催化新材料的设计合成及环境/能源应用基础研究领域，主持国家自然科学基金面上项目3项、重点项目子课题1项、辽宁省自然科学基金项目1项；参加完成国家973、863计划项目子课题2项，国家自然科学基金项目5项。在Appl. Catal. B: Environ., ACS Nano, J. Mater. Chem. A，Carbon, Fuel，Energy & Environmental Materials, ACS Appl. Mater. Interfaces, Chem. Commun.等期刊发表研究论文60余篇，其中SCI收录50篇、EI收录30篇，6篇论文被推选为封面文章；获授权中国发明专利5件。