界面光热蒸发器的研究进展

江代君，郑 臻，吴炎琳， 吴 琳，王 军

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122；2. 江苏省太阳能技术重点实验室，南京 210096；3. 东南大学能源与环境学院，南京 210096)

0 引言

基于太阳能热利用的光热蒸发技术具有无污染、安全可靠、适应性强等优势，已被广泛应用于海水淡化等领域。截至目前，光热蒸发技术的发展主要经历了3种方式：1)光热材料固定在水体底部被加热；2)光热材料分散在水体中被加热；3)光热材料漂浮在水体表面被加热，即界面光热蒸发技术。光热蒸发技术的3种方式如图1所示[1]。

图1 光热蒸发技术的3种方式Fig. 1 Three ways of photothermal evaporation technologies

光热蒸发技术的前2种方式需利用昂贵且精细的聚光器件聚焦弱太阳辐射，以达到较高温度，从而进行海水蒸发，因此普遍存在光热转换效率低、投资成本高等缺点。而界面光热蒸发技术能够将收集的太阳辐射能转换为热能后限制在薄薄的表水层，而不是加热整个水体，使该热能可以直接、有效地被表水层吸收并利用，大幅降低了其在水体及周围环境的热损失，从而整体提高了光热转换效率，目前界面光热蒸发技术最高可实现约90%的光热转换效率[1]。界面光热蒸发技术的潜在应用范围广泛，可普遍用于海水淡化、灭菌及发电等领域。

本文介绍了界面光热蒸发器的组成及运行过程，并对其性能评价方法进行了概述，详细讨论了影响界面光热蒸发器性能的因素，概括了其在不同领域的应用情况，最后展望了界面光热蒸发器潜在的发展与应用方向。

1 界面光热蒸发器的基本介绍及其性能评价方法

1.1 界面光热蒸发器的基本介绍

典型的界面光热蒸发器一般包括光热吸收层、隔热层及水汽输运通道[2]。该器件的工作过程为：1)入射太阳光被界面光热蒸发器的光热吸收层吸收并转换为热能；2)在毛细作用力下，水通过隔热层中布置的水汽输运通道从下到上逐渐浸润光热吸收层，并在光热吸收层顶部积聚成薄薄的表水层；3)光热吸收层将表水层中的水加热并蒸发成蒸汽；4)随着光热吸收层不断吸收太阳光，表水层的水逐渐蒸发，而水中的杂质被滞留在光热吸收层中，从而实现了水蒸气的收集。界面光热蒸发器的工作过程示意图如图2所示[2]。

图2 界面光热蒸发器的工作过程示意图Fig. 2 Schematic diagram of operating process of interfacial photothermal evaporation device

通过分析界面光热蒸发器的工作过程可以发现，光热吸收层的光吸收性、隔热层的热管理能力，以及水汽输运通道的水汽输运能力是影响该器件实现高效光热蒸汽转换的3个核心要素。因此，界面光热蒸发器需要尽可能多的吸收入射太阳光，将热能限制在表水层、减少热能在环境与冗余水体中的热损失，此外应具有充足的水汽输运能力以保证蒸发过程的连续性。

1.2 界面光热蒸发器的性能评价方法

由于界面光热蒸发器的光热转换效率越高，其在相同太阳辐射条件下用来蒸发水的能量就越多，因此常以光热转换效率作为评价界面光热蒸发器性能的最主要指标。界面光热蒸发器的光热转换效率η的物理意义是指该器件用来加热并蒸发水的热能占入射太阳辐射能的比例[3]，一般可表示为：

值得注意的是，在计算m·时应考虑到水的自然蒸发所带来的影响，即应采用水的净蒸发速率来计算，研究人员通常采用有光照时水的蒸发速率减去黑暗环境中水的蒸发速率来计算水的净蒸发速率。

为了更好地提高界面光热蒸发器的性能，研究人员对该器件中光热吸收层的光吸收性、隔热层的热管理能力及水汽输运通道的水汽输运能力这几个方面进行了研究与优化。下文将逐一介绍这3个方面对界面光热蒸发器性能的影响规律。

2 光热吸收层的光吸收性的研究与优化

吸收太阳光是界面光热蒸发器进行光热蒸发的第一步，因此光热吸收层材料(即光热材料)的选择尤为重要，理想的光热材料是能够在全太阳光谱范围内达到较高光吸收率的材料。

此外，光热材料良好的结构设计也能让其在整个太阳光谱范围内实现高效的光吸收，因此可通过对光热材料进行适当的微观形貌设计来增加其吸光面积，从而增加其光吸收性能。

2.1 光热材料的选择

目前，常见的光热材料主要可分为4类：金属材料、半导体材料、高分子材料和碳基材料。而将上述2种或2种以上的光热材料进行结合形成的复合光热材料，同样能表现出优异的光吸收性能。

2.1.1 金属材料

金属材料可通过等离子体共振形成局域热效应来实现光热转换。当入射光频率和金属表面电子的固有频率匹配时，金属纳米颗粒就能对太阳光谱的部分波段产生强烈的吸收效果，而通过调节金属纳米颗粒的尺寸和形状，则可实现太阳光宽光谱的吸收。2014年，WANG等[4]将粒径为18 nm的金纳米颗粒组装成金纳米薄膜，该薄膜对可见光有较强的吸收率。同样地，杜克大学的研究人员通过在自聚集的Al2O3纳米线上溅射一层40 nm厚的金纳米颗粒，得到了一种大面积柔性黑金薄膜，该薄膜可以在400～2500 nm波段内吸收高达91%的入射太阳光[5]。

由于金、银等贵金属的成本高昂，研究人员逐渐将目光投向了价格低廉的普通金属——铝。因为铝的等离子体共振频率比金或银的大，因此铝纳米颗粒在紫外波段拥有显著的等离子体响应。ZHOU等[6]将铝纳米颗粒沉积在多孔Al2O3薄膜上制备出了成本较低廉的多孔Al2O3薄膜，该薄膜在太阳光宽光谱内的光吸收率高达96%，显示出了超强的宽光谱吸收特性。

综上可知，利用金属纳米颗粒制备的光热材料具有对入射太阳光的强吸收性能。但值得注意的是，金属纳米颗粒的成本高昂且制作规模有限，且其不稳定性与毒性也进一步阻碍了其作为光热材料的推广应用。

2.1.2 半导体材料

当入射的光子能量大于半导体材料的带隙能量时，半导体材料将会被激发产生电子-空穴对，高于带隙能量的电子-空穴对将会弛豫到带隙边缘，并将多余的能量转换成热能，因此，通过调节半导体材料的带隙大小就可以控制半导体材料的光吸收能力。目前常见的可作为光热材料的半导体材料多为低成本、低毒性、窄禁带的半导体材料。ZHANG等[7]通过控制无机半导体材料的形状，制备出了多种不同形状的Cu7S4纳米薄膜，该纳米薄膜在近红外区域有较好的光热转换能力，其在1 kW/m2的红外灯照射下实现了77.1%的光热转换效率，这一发现证明了无机半导体材料可以作为光热材料应用于海水淡化中。此外，钛基半导体如黑TiO2、黑TiOx和窄带隙的Ti2O3也被证明可以有效吸收太阳光，并可作为光热材料[8]。

目前常应用于光吸收领域的半导体材料多为金属氧硫族化合物、黑钛类化合物。但受半导体材料能带间隙的限制，该类材料的光吸收能力相对较弱，导致其在光热蒸发领域的应用也受到了一定限制。

2.1.3 高分子材料

高分子材料也称为聚合物材料，该类材料因其外观呈黑色而表现出优异的光吸收能力，其主要是通过晶格振动或声子散射将光能转换为热能释放出来。

常见的有机聚合物材料主要包括聚吡咯和吲哚菁绿。ZHAO等[9]研究了一种将聚吡咯链入聚乙烯醇网格的多级纳米结构凝胶材料，该类材料在1个标准太阳下呈现出了优异的光吸收性，几乎没有光损失，其光热转换效率高达94%；而且该材料中的微纳网格可减少水的汽化潜热，提高了材料的光热转换效率。WANG等[10]通过化学气相沉积法制备了具有聚吡咯涂层的人造光热3D锥，该3D锥在整个太阳光谱中显示出了高达99.2%的光吸收率，与超黑材料的性能相当。清华大学的研究人员研究出了一种新型聚合物，可以将其溶液加工成自浮式整体泡沫，该整体泡沫在1个标准太阳下的光热转换效率可与最佳的石墨烯基蒸发器的相媲美，即使在0.5个标准太阳下，该整体泡沫的光热转换效率也可以达到80%[11]。

2.1.4 碳基材料

碳基材料具有宽光谱范围的太阳光吸收能力，对太阳光分布较为集中的可见光及近红外光具有强烈的吸收能力，并且该类材料的成本低廉、稳定性佳。基于这些优点，多种碳基材料被用作光热蒸发器中的光热材料，如生物质基无定形碳、石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、碳纳米管、石墨及炭黑。

生物质基无定形碳可通过对天然植物进行简单的碳化处理等手段来获得。XUE 等[12]发现，经过350 ℃碳化处理的木块在300～780 nm的紫外和可见光波段内的光吸收率高达99%，在780～2500 nm的近红外波段的光吸收率则为97%，均远高于原始木块在相应波段的光吸收率。同样地，ZHU等[13]发现，经过500 ℃碳化处理的木块在太阳光宽光谱范围内的光吸收率高达99%，在10个标准太阳下的光热转换效率约为87%。ZHU等[14]将白萝卜在750 ℃条件下碳化，结果发现，当碳化白萝卜的厚度超过1.7 mm时，其在250～2500 nm波长范围内呈现出强光吸收性。JIANG等[15]在纤维素纳米纤维(CNF)上布置了碳纳米管(CNT)层以实现太阳光的有效利用，结果显示，该材料在300～1200 nm波长范围内的光吸收率超过了97.5%。此外，在纤维素表面喷涂碳黑纳米颗粒也可有效提升纤维素的光吸收率，以实现光热蒸发效果[16]。GHASEMI等[17]合成了一种由碳泡沫层支撑剥离石墨层的双层结构材料，剥离石墨层在250～2250 nm波长范围内的光吸收率超过97%，该材料在10个标准太阳下的光热转换效率可达到85%。CUI等[18]以多孔石墨烯作为光热材料，将其应用于光热蒸发器后成功产生了水蒸气，结果显示，多孔石墨烯在紫外、可见光和近红外波段的反射率很小，透射率可以忽略不计，因此其在太阳光宽光谱内的光吸收率高达97.4%。

总体来看，碳基材料的种类丰富、成本低廉、具有较强的可扩展性及环境友好性，并且其光吸收能力较高，具有成为界面光热蒸发技术中光热材料的超强优势。

2.2 光热材料的微观结构设计

除了选择光吸收率较高的光热材料外，对材料表面进行合理的微观结构设计也能大幅增强光吸收层的光吸收效果。目前，光热材料常见的陷光结构可以分为规则分布的孔洞结构及不均匀分布的网状结构。

2.2.1 规则分布的孔洞结构

自然界中许多植物拥有精妙的微观结构。例如：树木通过管腔从下到上输运水及营养物质，而管腔之间是通过微孔通道进行连接。研究人员发现，某些木材具有轮廓分明的微孔通道：直径为几微米的纤维细胞孔均匀包围在直径为50～100 μm的大通孔周围。已有研究表明：利用图3所示[12]的具有规则分布的孔洞结构的木材作为基板，再在其上布置有效的碳基材料可以形成光热材料。比如，可在木材表面孔洞中喷涂石墨[19](如图4所示)，也可喷Pd、Au与Ag等金属纳米颗粒(如图5所示[20])，形成光热材料，此种光热材料可有效起到陷光作用。这种将吸热材料均匀分布在天然木块表面形成光热材料的方式简单可行，有效利用了植物天然精妙的管腔结构，且不同植物的管腔结构各有特色，这也意味着光热材料可以通过改变植物基板的种类来获得不同的表面形貌分布和陷光结构。

图3 以具有规则分布孔洞结构的木材作为基板的光热材料Fig. 3 Photothermal material using wood with regularly distributed hole structure as substrate

图4 表面孔洞中喷涂石墨的木材的制造过程Fig. 4 Manufacturing process of wood coated with graphite in surface holes

图5 天然木材与表面孔洞中喷涂Pd、Au、Ag纳米颗粒的木材Fig. 5 Natural wood and wood coated with Pd，Au，Ag nanoparticles in surface holes

也有学者通过模拟手段来研究光热材料的基材表面规则分布的孔洞结构。为探究孔洞尺径及分布情况对光吸收性的影响，ZHU等[13]对简化后的木块单元进行了光学建模以计算其光吸光收率，研究人员通过改变入射光角度和木块的孔径发现，当入射光角度为10°且入射光波长为550 nm时，孔径超过100 nm的木块的光吸收率均可超过80%。因此得出结论：大孔径有利于木材的光吸收性，尤其是当孔径超过30 μm时，木材的光吸收性更好。这是因为这种孔洞结构更有利于入射光被捕获，被更深的透过直至被完全吸收。

此外，人工构建的光热材料中的规则孔洞结构同样可以表现出优异的陷光效果，例如：将铝箔与阳极氧化膜结合，制备成具有3D蜂窝煤式孔洞结构的氧化铝膜。铝箔、阳极氧化膜及氧化铝膜的模型及实物图如图6所示[6]。这种孔径约为300 nm的3D蜂窝煤式孔洞结构能够减少光热材料表面的光反射、增加其内部的光散射，进一步提高光热材料的总吸光性能。

图6 铝箔、阳极氧化膜及氧化铝膜的模型图及实物图Fig. 6 Model and photo of aluminum foil，anodic aluminum oxide film and aluminum oxide film

2.2.2 不均匀分布的网状结构

在诸多光热材料中，与规则分布的孔洞结构相比，最常见的是不均匀分布的网状结构。研究人员发现，一些由聚乙烯醇、聚氨酯或三聚氰胺等制成的商业用海绵，均具有丰富的开孔结构和类似于交错树根的骨架。已有文献将各类海绵作为骨架结构进行光热材料的合成。如PAPAVASSILION课题组在空气中煅烧三聚氰胺从而得到了碳化三聚氰胺海绵，如图7所示，这种孔隙发达且孔径大小不一的网状结构材料在煅烧后尺寸明显缩小但形状基本不变[21]。实验结果表明：这种具有分布不均匀的网状结构的材料能够大幅增加吸光面积，该材料的光热转换效率可达92%。

图7 碳化前、后三聚氰胺海绵的SEM图Fig. 7 SEM images of melamine sponge before and after carbonization

此外，BAE等[22]发现自聚集的Al2O3金属纳米线束能够随机组装出类山脊和山谷的微型网状漏斗形结构，如图8所示，正是由于这些从零到数百的纳米及微米尺度间隙构成的网状漏斗形结构才使采用该结构的材料实现了对宽光谱太阳光的吸收，且此种结构使光热材料在厚度小于17 μm时的平均光反射率仅为7%，充分说明了这种网状漏斗形结构能有效减少光反射。

图8 自聚集的Al2O3金属纳米线束随机组装成的类山脊和山谷的微型网状漏斗形结构的设计示意图及其SEM图Fig. 8 Design schematic and SEM image of miniature reticular funnel shaped structure of ridges like and valleys like randomly assembled self-aggregated Al2O3 metal nanowire bundles

3 隔热层的良好热管理能力

在界面光热蒸发器进行光热蒸发的过程中，热能的利用与分配方式成为了影响其最终性能的关键因素。因此，如何使光热吸收层的热能局限于表水层中而不是向外部环境传递，即如何利用隔热层实现良好的热管理对于界面光热蒸发器至关重要。界面光热蒸发器的热源为光热吸收层吸收的太阳辐射能，主要是用于加热并蒸发水以生成水蒸气。界面光热蒸发技术的热能利用示意图如图9所示[23]。

图9 界面光热蒸发技术的热能利用示意图Fig. 9 Schematic diagram of thermal energy utilization of interfacial photothermal evaporation technology

界面光热蒸发器中，光热吸收层中的热能会存在热损失，其中主要的热损失包括该器件面向环境的热辐射损失、与空气及与水体的热对流损失[23]这3个方面。此过程的热平衡公式可表示为：

式中：α为光热吸收层的光吸收率；qsolar为入射太阳光的热流密度；qrad为界面光热蒸发器对外的热辐射损失密度；qconv为界面光热蒸发器与周围空气的热对流损失密度；qcond为界面光热蒸发器与水体的热对流损失密度。

由式(2)可知，隔热层良好的热管理能力可以从以下3个方面分别或共同进行：1)减少界面光热蒸发器对环境的热辐射损失；2)减少该器件与周围空气的热对流损失；3)减少该器件与下部水体的热对流损失。

NI等[3]将涂覆在铜片上的金属陶瓷作为光热吸收层，并在其顶部布置了一张透明绝热气泡膜做成的对流罩，同时还在其底部加设了聚苯乙烯泡沫盘。这种同时在光热吸收层顶部和底部使用绝热材料的方式其实是形成了隔热层，可以减少与空气的对流损耗，并降低下面水体的热对流损失。研究人员强调，虽然对流罩在一定程度上减少了光热吸收层吸收的太阳辐射能，但同时也减少了热对流损失，最终能够实现器件光热蒸发性能的优化。该隔热层的设计如图10所示。

图10 可减小与空气及水体热对流损失的隔热层设计Fig. 10 Insulation layer design that can reduce heat convection loss with air and water

GUO等[24]将沉积在多孔混合纤维素膜上的氧化石墨烯双面膜作为光热吸收层，以膨胀聚乙烯泡沫作为隔热层与水体隔离，并采用多个吸水棉芯源源不断向上供应水源，这种隔热方式能有效阻挡氧化石墨烯双面膜向下部水体传递热量。LI等[25]受植物自然蒸腾过程的启发，利用氧化石墨烯设计了一种3D人工蒸腾器，如图11所示，该器件特殊的伞形结构能够在热辐射损失和热对流损失最小化的同时又不损害光吸收率，其在1个标准太阳下的光热转换效率可达到85%以上。

图11 传统的2D直接接触装置及3D人工蒸腾器中的热辐射损失和热对流损失最小化的设计Fig. 11 Traditional 2D direct contact device and design method for minimizing radiation loss and convection loss in umbrellashaped artificial transpiration device

此外，有些界面光热蒸发器不需要额外设置隔热层来进行热管理，而是由光热吸收层来完成额外的热管理。XUE等[12]碳化了木块表面并将碳化后的木块作为光热吸收层，由于木块的热导性较低，这种设计在实际应用时可以将木块的未碳化区作为隔热层，阻碍热量耗散。这种浑然一体的隔热层热管理设计使界面光热蒸发器的光热吸收层和隔热层无缝连接，确保了该器件的长期稳定运行。

4 水汽输运通道中充足的水汽

水汽输运通道中充足的水汽能保证界面光热蒸发器光热蒸发过程的连续性。根据已有研究发现：界面光热蒸发器的水汽输运设计已由3D、2D逐渐发展到了1D。早期时，研究人员将光热吸收层与水汽输运通道进行结合，让光热材料同时实现吸热和水汽输运这2个功能。比如：将聚吡咯链入聚乙烯醇网格的多级纳米结构凝胶材料(HNG)具有直径约为150 μm的宽间隙，此种宽间隙分割出了HNG的多孔结构，这些孔洞形成了宽度从几微米到10 μm的通道，内部间隙和微米通道形成了3D水汽输运通道，如图12所示，其可以快速补充水分子以高速率持续产生蒸汽[9]。

图12 凝胶材料中的3D水汽输运通道Fig. 12 3D water vapor transport channel in gel material

也有研究人员为了解水在水汽输运通道中的流动情况而进行了计算流体动力学(CFD)模拟。LIU等[26]对表面碳化的木块构建了3D物理模型并进行了CFD模拟，以木材SEM图中管腔及壁厚等数据构建了接近真实的小型木块单元，如图13所示。模拟结果显示：水平放置的木块的微毛细管确实可以进行充足的水汽输运，且侧壁上的垂直微小凹坑(直径约为2 μm)可以调节水汽流量。然而，研究人员逐渐意识到在这种3D水汽输运通道设计中，光热吸收层是直接与水体接触，这将大幅增加热能与水体之间的热对流损失，同时3D水汽输运通道在传输水汽的同时也将大幅增加光热材料的导热率，进一步增加光热材料的热损失。

图13 木材中的3D水汽输运通道结构Fig. 13 3D water vapor transport channel structure in wood

针对以上3D水汽输运方式存在的不足，研究人员将思路转向了2D水汽输运通道。LI等[27]将氧化石墨烯膜作为光热吸收层，并在其底部包裹了一层薄纤维素以实现2D水汽输运方式，如图14所示，整个光热蒸发器件可自然地漂浮于水面，且只有纤维素的底部与水体直接接触。研究人员表示，与3D水汽输运方式相比，2D水汽输运方式由于减少了水汽输运路径，既能大幅降低水的散热损失，又能抑制寄生散热损失。

图14 含氧化石墨烯膜的纤维素2D水汽输运方式设计Fig. 14 Design of cellulose 2D water vapor transport method with graphene oxide films

1D水汽输运方式可将光热蒸发器的隔热层与水汽输运通道分离，即隔热层只采用阻碍热量传递的闭孔结构，而水汽输运通道则尽可能只具有输送水汽的功能。通过这种设计能够较好平衡热管理与水汽输运。XU等[28]将具有伞状结构的蘑菇进行碳化处理后得到一种光热蒸发器。研究人员强调，在该光热蒸发器中，蘑菇特有的纤维菌柄不仅能有效供水，还能将水路限制在1D状态，从而将热对流损失降至最低，具体如图15所示。类似的研究还有人工蘑菇设计，将涂有炭的聚乙烯醇海绵作为菌帽，设计了一个用于供水的1D茎秆，该设计方式可有效减少菌帽与水体之间的热对流交换[29]。

图15 以蘑菇菌柄作为1D水汽输运通道Fig. 15 Use mushroom stalk as 1D water vapor transport channel

5 界面光热蒸发器的多种应用

界面光热蒸发器能够将太阳辐射能转换成热能进而转成蒸汽后进行再次利用，此种转换过程使其可以应用于多种领域，如海水淡化、灭菌及发电等。GONG等[21]利用碳化三聚氰胺海绵作为光热吸收层进行实验，通过户外实验证明，在阳光下照射了10 h后，采用面积为1 m2的碳化三聚氰胺的界面光热蒸发器可以产生5～8 kg的淡水。李金磊[30]以低价不锈钢为基体开发了一种基于界面加热的太阳能蒸汽灭菌锅，验证结果显示：对于所有的目标细菌，界面加热太阳能蒸汽灭菌锅可以实现接近约99.999999%的灭菌效果。此外，界面光热蒸发器还可与热电材料结合，以达到同时产出淡水与电能的目的。LI等[31]使用可伸缩和低成本的非织造材料涂层石墨颗粒作为柔性且可折叠的界面光热蒸发器，在100℃热蒸汽与25 ℃室温的温度梯度下，耦合的热电模块能够在30 kW/m2条件下生成开路电压为3.87 V、短路电流为0.55 A的电流。

6 展望

在过去10年间，界面光热蒸发领域取得了重大突破。尽管目前在该领域已经有了诸多具有创新性的文献研究，但仍存在许多潜在的优化方向：

1)缺乏光热蒸发机理的研究。目前的研究仍停留在对光热材料的选择及其实验结果的探究上，缺少了与光热蒸发相关的动力学、传热传质的机理解释，对界面光热蒸发器内的热场与流场耦合问题还需进行较大探究。探究这些更深层次的机理问题将极有利于解决光热蒸发领域的诸多疑难问题。

2)缺乏界面光热蒸发器的耐盐性研究。器件在多次循环使用后将存在盐分结垢及堵塞问题，这对热量传递与水汽输运会存在一定的影响，而目前的研究却很少涉及相关方面。

3)界面光热蒸发器的户外运行稳定性受到考验。已有文献均报道了界面光热蒸发器在户外运行时存在耐久性问题，如光热转换效率、水蒸发速率不稳定，这是界面光热蒸发器面向市场推广的重要挑战。

7 结论

本文概述了界面光热蒸发器的组成及蒸发过程，对其主要性能评价方法进行了介绍，总结了光热材料的选择与微观结构对该器件光吸收性的影响，从减少热损失的角度概述了器件的热管理研究，并从3D、2D和1D水汽输运方式的角度分析了器件的水汽输运情况，最后介绍了界面光热蒸发器在海水淡化、发电与灭菌等领域的多种应用，并从3个方面指明了界面光热蒸发器潜在的优化方向。