面向水处理与有机溶剂回收的太阳能界面蒸发系统与材料

毛停停，李双福，黄李茗铭，周川玲，韩凯

（中南大学化学化工学院，湖南 长沙 410083）

淡水是人类维系生命和生存的重要资源之一。自21 世纪以来，随着世界人口的不断增长以及国际经济高速发展带动的工业用水大幅增加，淡水资源的供应面临着严峻的压力。将海水净化成为可供给人类使用的淡水已经成为当前解决水资源短缺的关键手段。传统的海水淡化技术包括反渗透、电渗析、蒸馏等需耗费大量的热能或电能，而这些能量大部分来源于化石燃料[1−2]。所以，寻找一种绿色清洁的技术实现海水淡化已经成为当前亟待解决的问题。

太阳能是自然界中最为丰富、廉价的资源，且对环境友好，不产生二次污染，是最理想的清洁能源。为实现最小成本下水资源的生产，利用太阳能蒸发海水得到淡水的概念被提出。最初，将光热纳米粒子置于散装水中进行蒸发，但此种方法热损失极大、能量转换效率很低，阻碍了其实际应用[3]。为解决这一问题，有学者提出界面蒸发的概念，即将太阳能吸收器连接到空气−水界面进行界面加热[4]。界面蒸发技术在极大程度上实现了光热材料与散装水的分离，热损失的减小使能量转换效率得到有效提高。此后，太阳能驱动的界面蒸发技术在海水淡化领域受到了广泛的研究和关注[5−6]，并推动这一领域进入一个新的发展阶段。

在医药、精细化工飞速发展的形势下，有机溶剂作为原料、反应介质或清洗剂已成为常用的溶剂。有机溶剂纯化和回收的成本已经占工业运营成本的一半，现阶段有机溶剂的回收方法如高温驱动蒸馏或高压驱动有机溶剂纳滤，这通常是一个能源密集型的过程。在国家双碳目标政策要求下，寻求更节能的方法来分离回收有机溶剂刻不容缓。基于对海水淡化体系的认识，界面蒸发技术可同样适用于界面蒸发回收有机溶剂。

利用太阳能界面蒸发技术进行海水淡化仍属于一个新兴方向，近几年的光热材料越来越多，本文综述了最新的光热材料如金属基等离子体材料、碳基材料、半导体、生物质材料等在海水淡化、污水处理领域的研究现状，并基于对水蒸发体系的认知延伸到有机溶剂体系中，为有机溶剂纯化回收提供了一个新的研究方向，并对太阳能界面蒸发技术的前景和面临的挑战进行了详细讨论。

1 太阳能界面蒸发系统

一个完整的太阳能界面蒸发系统包括以下几个部分：光源、太阳能吸收层、保温隔热层、水源、逸散的蒸汽[7]。如图1 所示，太阳光为系统提供最初的摄入能量，光热材料在吸收光能后将其转换为热能。毛细作用力将水输送至太阳能吸收层，在此液态水被加热发生相变成为气态水逸散至空气中，完成蒸发。由于热传导，太阳能吸收层的热量会向下传递，而保温隔热层可以有效地阻止热量进入散装水从而减少热损失。此外，由于光照过程中光热材料还会产生热辐射、与空气的热对流、与隔热层或水体的热传导而产生不可避免的热损耗。这个过程中涉及的能量损失计算如式(1)～式(3)所示[8]。

图1 太阳能界面蒸发示意图

式中，Qrad、Qconv、Qcond为热辐射、热对流、热传导损失，W；Apro为蒸发表面积，m2；ε为材料的热发射率；σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.6×108W/(m2·K4)；h为（空气）对流传热系数，一般为5 W/(m2·K)；cp为水的比热容，4.2kJ/(kg·℃)；m为散装水的质量，kg；T0、T1、T2和T3分别为蒸发界面的平均温度、环境温度、散装水的初始温度和最终温度，℃。

太阳能界面蒸发系统中能量转换效率是评价太阳能蒸发器性能的一个关键标准，能量转换效率η通常由式(4)以及式(5)、式(6)计算[7−8]。

式中，M为水的净蒸发速率，M=m1（光照下蒸发速率）−m2（暗室蒸发速率），kg/(m2·h)；hlv为总蒸发焓变，其中包括从液体到蒸汽的显热（液态水由T2升温至T0所需热量）和潜热（Q'：在T0温度下水由液态到气态的蒸发焓），kJ/kg；Pin为入射太阳光强度，kW/m2。

根据整个太阳能界面蒸发系统中的总能量流动分析可得，当没有额外的能量进入太阳能界面蒸发系统时，光热材料的能量转换效率一定小于100%。但从理论上推测，如果可以从环境中获得额外能量如热能、风能等，那么环境反向对系统输入的能量就有可能大于系统本身所损失的能量，在假定100%的太阳−蒸汽能量传递效率的情况下，大大提高蒸发速率，使其远远高于理论极限[9−10]。目前这种想法已被验证可以实现。此外，另一种提高蒸发速率的方法是降低蒸发焓。降低蒸发焓的方式主要有两种：①三维限域，通过特殊的仿生设计、分层结构降低水的蒸发焓以提高蒸发速率[11−12]；②氢键作用，在有机水凝胶材料中由于有机官能团与水分子间的氢键作用，当水分子被限制在分子网格中时，它们更有可能以小团簇而不是单个分子的形式逃离。因此，水被蒸发所需蒸发焓比传统潜热更低[13]。

太阳能界面蒸发系统在水处理方面应用广泛，首先在海水淡化领域太阳能界面蒸发系统可处理不同浓度的海水，甚至于盐浓度高达10%的死海海水经界面蒸发后盐度降低了4个数量级，远低于世界卫生组织（WHO）和美国环境保护署（EPA）规定的标准水平，主要离子（Na+、Mg2+、Ca2+、K+、B3+）的浓度显著降低[14]。其次，相较于蒸馏、膜分离技术，界面蒸发系统对含有重金属离子（Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+）的工业废水具有更高的离子去除率，对含有机染料废水的截留率高达99.9%，有机染料的吸收峰完全消失[15]。利用太阳能界面蒸发系统去除含挥发性有机物（VOC）废水也逐渐受到研究人员的关注。Zhang 等[16]设计了一种超交联亲水性聚合物网络凝胶（SWEG）的概念，凝胶网络中强大的氢键作用使SWEG能够从含VOC 的水中提取水分，在1kW/m2的光照下VOC 去除率可达99.99%。此外，太阳能界面蒸发系统也可实现与其他领域耦合，如界面蒸发系统促进光催化处理As(Ⅲ)[17]、界面蒸发系统（三相体系）提高光解水产氢量[18]。

用于海水淡化的高效太阳能蒸汽发生器应具有以下4种特点：①有良好的宽光谱吸收能力，高吸收是保证高蒸发率的前提，所选吸光材料应在200～2500nm 波长范围内有尽可能大的光吸收；②有效的热管理，由于吸光层与水体不可避免的热传导和材料表面的热辐射、热对流导致热量损失，只有抑制热量损失才可以得到高的能量转换效率；③稳定的水运输能力，为材料表面提供源源不断的水分对于实际大规模应用是非常关键的；④优异的耐盐性和机械强度，海水中盐分和其他杂质离子含量较高，太阳能蒸汽发生器必须耐高盐或有独特的排盐系统才能保证在长期工作下不至于损坏。同时具备这些特点实属不易，此外还要考虑光热材料的易加工性、来源、成本等问题。近年来，各种纳米结构的太阳能光热材料被开发，已经不仅仅局限于单一的材料，新型光热复合材料已渐渐成为研究热点[19]。

2 太阳能界面蒸发结构设计演变

在太阳能界面蒸发系统中高的能量转换效率主要取决于系统热量的利用程度，如此热管理就变得至关重要。图2展示了光热转换蒸发系统中的能量平衡关系图。太阳光射入太阳能界面蒸发系统，首先一部分光被光热材料表面反射，另一部分透过材料表面（透射作用），其余被材料表面吸收产生热量。其中热量耗损的三种方式为太阳能蒸汽发生器的结构演变提供了指导性的意见。基本原则包括：①通过改进吸收材料或增加衬底来降低热损失；②将热量损失局限于蒸发表面，与散装水进行隔离。

图2 光热转换蒸发系统中的能量平衡关系图

自提出太阳能界面蒸发的概念至今，已经有近十年的历史，太阳能蒸汽发生器的结构也历经几次变革。如图3所示，最初的太阳能蒸汽发生器直接与散装水接触，热量传导进入散装水中造成大量的热损失，极大地降低了蒸发速率与能量转换效率。为防止热量向散装水下部传递，Liu 等[20]提出在膜材料表面加一块类似于海绵的隔热材料以减少热量损失，提高了光热转换效率，但也仅仅维持在60%。为减少与散装水的直接接触面积，二维运输路径被提出。Li等[21]提出的二维输水路径是使用一层薄薄的纤维素包裹热绝缘体的表面使整个结构可以漂浮在水的表面，只有底部的纤维素与散装水直接接触，通过两侧纤维素的毛细力吸水供给到吸收器顶部实现水的蒸发，能量转换效率明显提高。

图3 太阳能界面蒸发系统结构设计演变图

研究证明，缩小蒸发界面与水体的接触面积可减少热损失，为将水的散热最小化，受自然界树木的启发衍生出一维运输路径。将吸收层与散装水完全隔离，中间通过一根棉棒作为连接点进行水分输送[22]。既能实现高效供水，又能抑制传导散热，这种方法将能量转换效率提升到一个新的层次。从最开始的50%左右，到现在基本保持在90%以上。而后，从三维形态的植物和蒸腾作用中得到灵感，为最大限度地吸收光，一个蘑菇形3D 人工蒸腾装置被提出，这种模型可以在一天中的任意时刻从不同角度吸收光[23]。但同时，蘑菇形三维装置会面临热辐射和光散射增加的困扰。有学者以高效收集声音的凹面耳廓为灵感开发一种3D 光热锥，用于高效的太阳能驱动蒸发[24]。由于合理弯曲的内表面可以发生多次光反射，光在锥内被捕捉和吸收的概率更大，从宏观角度促进了光的吸收。倒锥形结构使热辐射在锥体内部，降低了其散入环境的概率，以保证最小的热损失[25]。

近两年，在一维运输路径出现后，利用太阳能蒸汽发生器结构设计来提高界面蒸发性能已经达到了一个瓶颈。当光的投影面积一定时，尽可能地增大蒸发面积成为了另一种提高蒸发速率和能量转换效率的方式。通过折叠和展开的方式创造周期褶皱被证明是一种有效的策略，它可以最大限度地减少辐射和对流热损失，同时最大限度地提高太阳能蒸汽发生器的光吸收率[26−29]。如图4所示，展示了一个典型的折纸三维结构作为太阳能蒸汽发生器的新平台。3D折纸艺术的独特结构特征为未来高效、易于部署的太阳能蒸汽发生器的发展提供了新的视角。

图4 三维折纸型太阳能蒸汽发生器

3 太阳能界面蒸发技术光热材料发展现状

光热材料作为太阳能蒸汽发生器的核心部分，对太阳能的利用以及蒸发速率起着决定性作用。理想的光热材料应具有很强的宽带吸收、来源广泛、价格低廉、易于加工等优点。光热材料类型多样，不尽相同，依据光热转换原理的不同可简单分为三类，即金属基等离子体、碳基材料、半导体材料。另外，本文也将生物质材料等其他材料作为新兴光热材料进行总结，表明了其未来在太阳能界面蒸发技术中巨大的潜力。

3.1 金属基等离子体材料

金属作为光热材料应用于太阳能界面蒸发较早，其产热机制源于局部表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）效应。当入射光的频率与金属表面内自由电子固有振荡频率相匹配时，等离子体金属中的电子被入射光激发，从费米能级到更高能级的跃迁中产生热电子。热电子与入射电磁场发生相干振荡，通过焦耳机制产生热量，从而提高金属表面及其周围的温度（即等离子体光热效应）[30−31]。

在金属材料中，Au、Ag 等贵金属由于良好的近红外吸收能力成为光热材料研究的热点。但贵金属的成本问题阻碍了其大规模发展，于是开发其他金属材料替代贵金属的研究被提上日程，其中金属Al 以低成本、可延展性好、在紫外线状态下有显著的等离子体响应而受到关注。Zhou等[14]利用多孔模板辅助自组装工艺，将铝纳米粒子（Al NPs）自组装成三维多孔膜，如图5所示。这种等离子体结构的高效和宽频吸收、局域强非辐射等离子体衰变和多孔性质使其有效太阳吸收率超过96%，可实现高效脱盐，循环处理海水25 次后仍保持稳定。这种自组装的工艺后来也受到了广泛的引用和改进，如Chen 等[32]展示了一种由密集Ag NPs 自组装的不对称等离子体结构（APS），具有太阳能水净化和污染检测双重功能的多孔模板，太阳能吸收率可达90%以上。

图5 Al NPs等离子体结构[14]

除单一金属外，将不同金属纳米粒子集成或组装在不同的基材上包括阳极氧化铝、木材、泡沫等提高太阳能蒸发效率的方法受到青睐[33−36]。Wang等[37]开发了一种基于氧化石墨烯（GO）和中空多孔Ag/Au纳米立方体组装而成的薄膜，利用粒子间的多尺度等离子体耦合，在10kW/m2的条件下使太阳能能量转换效率达到92%，水分蒸发速率可达12.96kg/(m2·h)。由纤维状Ag NPs@C3N4和GO 合成的一种具有垂直通道和层状纳米结构的膜在具备高效太阳能蒸发速率的同时几乎可以完全消除废水中的染料、重金属离子和病原体[38]。合理猜想是由于垂直和水平方向的有序结构可以实现大的质量通量和高效去污，这对以后制造特定纳米结构的太阳能吸收器用于帮助生活在清洁用水匮乏地区的人们具有重大意义。与此同时，在保证同一水平的蒸发率下，将贵金属的用量尽可能降低也是一直以来的目标[39]。Cui 等[40]将微量Au NPs 碳化有机硅（C−Silica）微球沉积在过滤纤维纸（FFP）上，制备的Au NP@C−Silica/FFP 膜在仅25mg/cm2的Au用量下，在1kW/m2光强下就能达到94.6%的能量转换效率。

与贵金属略有不同，CuS作为一种高效的光热材料是由于Cu2+的d−d能带跃迁及其可调谐的局域表面等离子体共振，在近红外区具有很强的吸收能力并转化为热能[41]。CuS 之前在光热治疗方面研究较为广泛，在太阳能界面蒸发领域对CuxS 纳米粒子的研究日渐增多。Su等[42]提出一种新型凹面空心CuS纳米立方体，中空CuS独特的凹形结构可以通过重吸收捕获阳光，并减少辐射和对流的热量损失，基于CuS 的发生器在1kW/m2光照射下表现出91.5%的高能量转换效率。Tao 等[43]报道了一种带有异质六角形孔洞的Cu9S5纳米网组成的集成膜式界面蒸发器，该蒸发器在250～2000nm 表现出91.7%的吸收率，在1kW/m2光照强度下的能量转换效率为80.2%。在CuS 材料的研究中发现其吸收率与发射率强烈依赖于结构和形貌[42−44]。这种基于微热管理的新型结构设计为未来高效太阳能蒸汽发电的发展提供了新的视角。

作为贵金属在等离子体技术中的潜在替代品，基于金属氮化物的纳米颗粒广泛应用于太阳能界面蒸发系统[45]。Kaur等[46]通过结合等离子体氮化钛纳米粒子（TiN NPs）和陶瓷纤维羊毛开发了一种便携式、可重复使用的太阳能蒸汽发生器，在1kW/m2光强下产生超过80%的能量转换效率。将TiN NPs负载在阳极氧化铝（AAO）上，可通过调节TiN NPs的孔径和厚度来优化TiN NPs/AAO的光热性能，在1kW/m2光强下能量转换效率可达到92%[47]。对金属氮化物在光热界面蒸发领域的普适性进行研究，发现第Ⅵ族金属氮化物纳米粒子（TiN、ZrN 和HfN）的太阳能能量转换效率在78%～95%之间，其中以HfN NPs 材料效果最佳[48]。在未来金属氮化物极有可能将贵金属光热材料取而代之。

金属基光热材料应用于太阳能界面蒸发需要着重考虑稳定性问题，在海水淡化中尚不能长期稳定，更遑论将其拓展到具有强酸或强碱性质的工业废水处理。或许合金材料是一个理想的选择，相较之下成本更低、耐腐蚀性能和力学性能更好。有研究表明，Pt3Ni 合金沉积于聚四氟乙烯（PTFE）薄膜作为太阳能驱动的强酸碱度工业废水蒸发装置具有巨大潜力，这也为改善光热膜的表面机械性能提供了新的策略[49]。

3.2 碳基材料

碳基材料的光热效应来源于光照下的晶格振动[50]。由于碳基材料中π电子的能级紧密排布，有助于通过光照激发电子，当激发的电子放松到基态时产生热量。碳基纳米材料种类丰富多样，不同形式的碳纳米材料如碳纳米管（CNTs）[51]、炭黑（CB）[52]、GO[53]、还原氧化石墨烯（rGO）[54]等已被成功应用于太阳能界面蒸发。碳基材料大都具有太阳能宽光谱吸收、良好光吸收稳定性、高热导率、低毒性等特点，对未来科技转化和实际应用有极大优势。

与开发新的碳材料相比，将两种材料进行复合或掺杂来提高蒸发率或太阳能转换效率已是目前常见的方法。Wang 等[55]通过结合具有不同纳米形貌的二维rGO 和一维多壁碳纳米管来提高光热性能，这种复合光热层具有可控纳米结构的粗糙表面，能量转换效率可达80.4%。此外，多孔的CB/GO复合层[56]、GO/CNTs 混合层[57]等复合材料的蒸发率相较于单一材料得到了一定程度的提高。除碳基材料同类型的掺杂外，与金属基等离子体复合被证明有更优异的光热性能，如等离子体石墨烯聚氨酯纳米复合材料[58]。而将碳基材料与光催化材料复合打开了另一种思路，将光催化纳米材料集成到膜内部，直接利用光催化分解污染物以提高光热转化膜的长期稳定性[59]。Noureen 等[60]制备的Ag3PO4−rGO 纳米复合涂层，在能量转换效率保持86.8%的同时还能有效地分解水中的有机染料，并表现出良好的抗菌活性，可直接净化原水。

太阳能界面蒸发技术发展前期，太阳能蒸汽发生器多以光热材料沉积在底膜上为主，但所选底膜在很大程度上受到成本限制而不能实际应用，而后以纤维素[61]、丝织物[62]、无纺布[63]、纸基[64]等为底膜的高效光热膜受到了广泛的研究。Li等[65]采用水热碳化的方法在碳纤维（CF）表面制备了多尺度水热碳层，成功地在CF 表面引入了羧基、羰基和羟基等极性官能团，输水效果得到了显著的改善。而且由于层次化的碳化涂层增强了光的折射，吸光率提升到93%。Kou 等[66]以CNT 为原料制备油墨对传统棉织物进行染色，开发出了低成本、可水洗的光热织物。碳纳米管棉织物的总太阳吸收效率达95.7%，在模拟1kW/m2光强下的海水蒸发率高达1.59kg/(m2·h)。另外，任何应用于海水淡化的太阳能蒸汽发生器都不可避免地面临析盐导致的蒸发率和光热转换效率下降的问题[67]。若不能保证长期的稳定性，就无法实现大规模的应用。而这些碳材料棉织物可以通过简单的手洗工序，去除蒸发后形成的盐分，可对其进行清洗和回收，为日光照射下的低成本、高效、大面积海水淡化提供了新平台。值得一提的是对光热转化膜进行Janus 结构设计是解决脱盐问题的一种有效手段，Janus 结构设计在光热转化膜领域主要表现为使其同时具有疏水和亲水的性质，亲水表面能够吸取基质中的水并将其转移到吸光表面，疏水吸光表面将热量传导给水并加速水蒸气离开蒸发器。Xu 等[68]通过设计疏水性CB 和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）层以及用于输水的亲水聚丙烯腈（PAN）层这样具有相反性质和不同功能的两层结构，首次证明了Janus 吸收体可以实现稳定和高效的太阳能淡化，而后Janus 蒸发器作为解决盐分析出问题的利器而被广泛地研究。此外，除调控材料本身的特性，部分研究人员开始在层次结构方面解决盐累积的问题，如由睡莲启发的结构[69]、自旋转型太阳能蒸发器[70]等，极大地促进了界面蒸发海水淡化技术在实际应用中的发展。

传统单层碳基材料在微尺度上表面相对平坦、吸收有限，反射光强度较高，导致整体效率下降。目前研究的热点光热材料形貌多集中于纳米多孔结构，通过增加孔隙率来增加光折射次数以提高吸光率。或通过表面改性增加表面粗糙度，以便更好地进行光捕获。若通过增加光的相互作用长度或光在垂直结构中的停留时间来克服平面光吸收限制，从而有效地将吸收的光转化为热，这将使太阳能转换效率进一步提高。如图6所示，多功能分层石墨烯蒸汽发生器逐渐进入人们的视线。Ren 等[71]报道了通过等离子体增强化学气相沉积生长的具有连续孔隙的分层石墨烯泡沫，光吸收不受入射角的影响，能量转换效率高达93.4%。Ito等[72]开发了一种由单片氮掺杂纳米多孔石墨烯和氮掺杂多孔石墨烯泡沫作为分层结构构建的蒸汽发生器，可达到82.2%的能量转换效率和1.54kg/(m2·h)的蒸发速率。

图6 普通石墨烯泡沫与N掺杂分层石墨烯泡沫

现阶段，碳材料的研究依然是整个领域的热点，但二维碳材料的界面蒸发性能似乎已经达到了瓶颈期。此时，三维多孔光热转换材料，如碳泡沫[73]、气凝胶[74]、水凝胶[75]等，因其具有低容重、高孔隙率、低热导率等良好的太阳能蒸发性能而受到关注。Liang 等[76]通过注入控制技术控制rGO 泡沫中的毛细管水状态，并有效地调整了泡沫中的水的运动模式，暴露尽可能多的蒸发面积，在1kW/m2的光强下蒸发速率可以达到2.40kg/(m2·h)，太阳能光热效率接近100%。Gong 等[77]基于废纸球磨石墨和纤维素采用冷冻浇铸−干燥法制备复合气凝胶，具有垂直排列的多孔结构，在1kW/m2太阳光下能量转换效率约为90%，而且复合气凝胶的制备和蒸发系统的构建充分利用了再生材料的优点，对降低成本和回收固体废物十分有利。Yu 等[78]设计了碳化钼/碳基壳聚糖水凝胶（MoCC−CH），具有优异的光学吸收性能和显著的水传输性能，在1kW/m2太阳光照射下蒸发速率可达2.19kg/(m2·h)，能量转换效率为96.15%。

综上所述，碳是地球上含量丰富的一种元素，碳基材料容易通过热处理、化学沉积等方法与其他材料实现组装改性以提高太阳能界面蒸发性能。此时，更需着眼于提高碳材料在海水淡化实际应用中的可循环周期性，甚至用于处理工业废水的强酸、强碱等严苛条件下的稳定性。碳基材料在未来仍是十分具有吸引力的光热转换材料，尤其是新型碳纳米材料、三维多孔石墨烯材料等会朝向更多元化的方向发展，具有广阔的应用前景。

3.3 半导体材料

半导体材料的产热源于电子空穴对的非辐射弛豫，半导体的带隙能量决定了光吸收波长范围[4]。当入射太阳光的能量高于半导体带隙能量时，产生带隙以上的电子空穴对，带隙上方的电子空穴对松弛到带隙的边缘，将多余的能量转化为热量。窄带隙半导体已被证明在光热方面可提供广阔的太阳吸收光谱。而宽带隙半导体的电子空穴对会在带隙边缘附近重组，释放光子，降低光热效率。近年来，TiO2[79]、Ti2O[80]、SiO2[81]、Co3O4[82]等窄带隙半导体材料受到了广泛的研究。

原始半导体光热转换效率太低，无法进行实际的大规模淡水生产。现今对半导体材料的研究已经不限于材料本身，而是通过改性使其更全方位地利用太阳光。Zhu等[83]利用金属氧化物MoO3加氢制备了一种新型材料（H1.68MoO3），其中H 的掺杂导致原本MoO3的绝缘体到金属的相变。这种氢化金属氧化物有不寻常的准金属能带，由于激发态电子的快速弛豫，在整个可见到近红外太阳光谱中提供了大于95%的类似黑体的太阳光吸收率。Huang等[84]提出的MoO3−x(0

与半导体金属氧化物同一类型的半导体金属硫化物同样具有良好的光热性能。单层MoS2是一种典型的过渡金属二卤族化合物，具有独特的电子和光学特性，以多相形式存在，可以显示不同的相，如金属1T 相和半导体2H 相。Zhang 等[85]报道了一种简单而有效的方法来实现2H 和1T−MoS2纳米片的晶相控制合成高密度纳米孔太阳能辅助制造波纹二硫化钼膜（2H−DMM−SA），如图7 所示。2H−DMM−SA 层具有开放大孔网络的凹陷表面，水通量得到大幅提升，在1kW/m2太阳光强下表现出了83.3%的能量转换效率。经过多次光照和再生循环，仍可维持较高的水分蒸发速率和抗盐性能。

图7 制造波纹二硫化钼膜[85]

过渡金属氧化物由于其独特的外价电子特征而表现出优异的光热性能，与贵金属纳米粒子相比，过渡金属氧化物具有热稳定性高、制备容易和成本相对较低的优点。作为过渡金属氧化物的重要组成部分，具有可调LSPR 效应的WO3−x材料已成功合成[86]。Li 等[87]采用化学气相沉积法和溶剂热法制备了一种新型的三维网络结构的疏水型Ni−G−WO3−x蒸发器。由于多孔Ni 的多重散射以及石墨烯和WO3−x的强光吸收能力，Ni−G−WO3−x具有从紫外到近红外区域93%的高光学吸收能力。在1kW/m2太阳照射下，蒸发量可达2.12kg/(m2·h)。然而，对于WO3−x开发太阳能蒸汽发电的报道却不多，未来仍有待探索。

光热材料往往会遇到生物或有机污染物，导致性能下降甚至失效。热解是一些耐热材料分解污染物的理想方法，但仍然存在能耗高的问题。钙钛矿是一类具有与ABO3相同晶体结构的化合物，结构中嵌入的不同阳离子具有不同的功能。Wang 等[88]开发了一种多功能含钴钙钛矿La0.7Sr0.3CoO3，在相对较低的温度下催化藻类等生物/有机污染物的热分解，能耗较低。La0.7Sr0.3CoO3切片的超亲水表面和多孔结构，可以实现长期排盐，保证稳定的海水蒸发性能，在实际的太阳能驱动海水淡化中具有重要意义。此外，双钙钛矿在太阳能方面的应用也逐渐出现，被报道适用于光催化领域，相信在不久的将来双钙钛矿电磁波吸收特性的产热可以使其成为一种独特的太阳能光热材料[89]。

3.4 生物质材料

自然界存在的植物历经千百年优胜劣汰，其结构或许比费尽心力设计的结构更具有天然的优势。例如，木材具有良好的亲水性、低导热性和大量的天然微通道。天然木材的光学吸收率较低，对天然木材进行部分高温炭化处理，在碳化木材和天然木材之间的界面会有一个完美的微结构匹配，这有利于从下层有效地提取水，并在太阳光照明下产生水蒸气[90]。蒸发过程必须与海水源进行高效的质量交换，而木材内部微细的通道口极大地减少了设备运行过程中的盐积累，因此在高效太阳能蒸汽发电方面具有巨大的潜力。

碳化木材是最早被发现用于太阳能界面蒸发，也是被研究最为深入的一种仿生材料。时至今日，仍在不断地对木材表面进行光热材料的修饰以提高界面蒸发性能。Wang 等[91]研究开发了一种简便的吡咯聚合法制备聚吡咯修饰木材（PPy−Wood），PPy−Wood 的吸光度高达90%，增强了太阳能蒸发速率。Xia 等[92]介绍了一种基于柔性卟啉有机框架（POF）的界面工程方法制备的Wood@POF 材料，表现出良好的光热性能，可达到80%的能量转换效率。POFs 这一类材料被证明可以在各种多孔基质上生长，包括膜、织物、海绵和木材。利用木材的天然结构实现海水淡化中的排盐也是目前的研究热点。He 等[93]证明了双峰多孔结构可作为一种高效和稳定的太阳能蒸汽发生器用于高盐度海水淡化。如图8所示，利用木材固有的双峰多孔结构和相互连接的微观结构，使表面蒸发盐水可以快速补充，确保快速、连续的清洁水蒸气的产生。该双峰式太阳能蒸汽发生器在6kW/m2太阳辐照下蒸发速率可达6.4kg/(m2·h)，对高盐度卤水的脱盐具有良好的长期稳定性。另外，由于木材特殊的孔道，在光吸收层中形成毛细水，降低水的潜热以提高蒸发速率和太阳能转换效率。这种3D 太阳能蒸发器在水收集装置中有效工作，产水量比普通界面蒸发器多2.2倍[11,94]。

图8 双峰式蒸发器的结构特征[93]

以木材为例，其他具有相似结构的生物质材料也被相继开发用于太阳能界面蒸发，包括丝瓜[8]、秸秆[95]、竹子[96]、甘蔗[97]、向日葵[98]等，同时也在不断寻找价格低廉、来源广泛、易于加工且拥有高能量转换效率的生物质材料。在遵循可持续经济发展的要求下，从废弃物中提取有效的生物质材料用于太阳能界面蒸发是一种新的尝试。Han等[99]展示了一种从蛋壳膜生物废弃物中衍生的独立超薄膜，具有良好的水蒸气输送形态、宽带光吸收和局部加热特性。此外，相继报道了从废弃咖啡渣中制备疏水碳化咖啡渣作为太阳能蒸汽产生的有效太阳能接收器[100]、由碳化铅笔废料制成的自浮式太阳能蒸发器[101]，在太阳光照射下都具有良好的脱盐和水净化性能，能量转换效率可达80%左右。以此理念所设计太阳能界面蒸发结合了生活垃圾的回收、可再生太阳能的利用和清洁水的生产，使其成为一个真正绿色、经济、可持续、可循环的解决全球水资源短缺的方案。

3.5 其他材料

新型二维材料MXene 以其优异的电磁波吸收特性、力学性能和亲水表面而被认为是极有潜力的光热材料。其中Ti3C2材料不仅内部光热转换效率高达100%，而且具有优良的抗菌性能，对细菌的抑制率可达99%[102]。MXene家族应用于太阳能界面蒸发领域较多的当属Ti3C2和Ti2C[103−105]。Zhao 等[106]报道了一种简单策略实现氢键诱导的聚多巴胺（PDA）@MXene 微球光热层自组装，协同实现广谱高效的太阳能吸收。此外，由于MXene 和PDA本身的亲水性，以及核壳微球之间的间距，使得该系统具有快速的水输运和蒸汽逸出，从而实现高效的光热转换效率，除盐率超过99%。Fan等[107]设计制作了一种分层式太阳能吸收结构，包含3D MXene微孔骨架、垂直排列的金属有机骨架、嵌有钴纳米颗粒的2D 碳纳米片。三大类光热材料的合理整合，使太阳能蒸汽发生器集宽带光吸收、高效光热转换、低热损失、快速水输送行为以及大大提高的耐腐蚀性等优点于一身。基于MXene 的分层设计，其能量转换效率可达93.4%，并且循环运行100h 后仍能保持91%以上的效率。因此，MXene材料为太阳能界面蒸发技术的发展提出了一个有吸引力的辅助策略，用于制备高性能光热复合材料，实现先进的太阳能驱动海水淡化的应用。

未知的光热材料探索也从未止步，黑磷（BP）纳米片因其厚度可调、高导电性、生物相容性和优异的光热性能而受到关注。但由于BP 在潮湿环境中的稳定性较差而在太阳能界面蒸发技术中受到限制。Li 等[108]提出了降低表面张力的方法，以解决BP 纳米片的湿环境降解行为，获得自浮力，从而将BP纳米片应用于太阳能蒸发。Cai等[109]采用静电分层组装将BP 纳米片和壳聚糖交替沉积在聚氨酯（PU）泡沫的骨架上，使PU 复合泡沫的亲水性明显提高，从而促进毛细管效应。简言之，BP 纳米片采用了一种简单且环保的制造工艺应用于海水淡化和污染去除，为实际的太阳能蒸汽产生提供了巨大的潜力。但目前为止，涉及BP 纳米片在太阳能界面蒸发的研究工作鲜有报道。

目前，光热材料海水淡化领域的应用多处于实验室模拟阶段。不同类型光热转换材料的性能对比如表1所示。

表1 典型光热转换材料性能对比

4 太阳能界面蒸发技术在有机溶剂回收中的应用

随着现代工业的快速发展，有机溶剂使用大量增加带来的环境污染和资源浪费日益严重，有机溶剂的高效分离、回收与再利用成为发展国民经济迫切需要解决的问题。传统的蒸馏、萃取、吸附等有机溶剂处理技术往往存在明显弊端，如蒸馏过程需在较高温度下进行，能耗较高，且易造成热敏性物质失活降解；萃取过程则需使用大量萃取剂，导致后续烦琐的二次分离。目前，有机溶剂纳滤（organic solvent nanofiltration，OSN）具有一般膜分离过程绿色、高效等特点，被认为是解决有机溶剂高效分离、回收与再利用问题的重要技术[110]。在大规模应用下，OSN的压力驱动过程仍需消耗一定量的能源。此外，OSN技术所用到的有机溶剂纳滤膜易发生溶胀而影响有机溶剂回收的长期操作稳定性，而且对众多不同类型的有机溶剂回收的普适性也是一大挑战。由海水淡化、污水处理推及有机溶剂的处理，采用太阳能驱动的界面蒸发技术进行有机溶剂的分离纯化无疑是一种很好的选择。

近些年太阳能界面蒸发技术在海水脱盐及污水净化领域愈发成熟，太阳能光热转换材料被广泛研究。由太阳能界面蒸发回收水体系推广至利用太阳能界面蒸发技术回收有机溶剂体系将会面临更多的挑战，如图9所示。①溶剂输送。在界面蒸发系统中高能量转换效率、蒸发速率的前提下溶剂泵送能力以及隔热是必不可少的，而由于不同材料对不同有机溶剂的亲疏性有别，这让实验的选材更加复杂化。②长期稳定性。大部分光热材料（有机物、无机物）或底膜在苛刻的有机溶剂和长时间辐照下缺乏机械稳定性，通常很难长期处理有机溶剂的纯化回收。③匹配性。不同有机溶剂物性千差万别，沸点、密度、极性等性质不尽相同，如表2所示，可能一种材料只适用于一种或几种溶剂的蒸发，所以在蒸发回收过程中不同光热材料与不同有机溶剂之间的匹配性或相容性也至关重要。④安全性。其一，有机溶剂蒸气与水蒸气相比具有一定的危险性，在一定浓度下有爆炸风险；其二，在太阳能界面蒸发回收有机溶剂中要着重考虑蒸气冷凝回收问题，用于收集的容器材质注意不能与溶剂蒸气发生反应（引起腐蚀），对设备要求更高。此外，太阳能界面蒸发蒸汽发电技术已经实现，那同样地，用太阳能界面蒸发技术回收有机溶剂实现发电或者其他形式的能量利用从理论上而言也是可行的。本文作者团队对太阳能界面蒸发回收有机溶剂做了部分研究，采用商业化墨水与宣纸通过简单的按压法制备的光热转化膜，在蒸发有机溶剂中具有较高的稳定性。与自然蒸发相比，蒸发速率得到了明显的提高，对高沸点有机溶剂蒸发速率的提升更为显著。但也正如上述所总结，采用有机材料为底膜会被一部分有机溶剂溶解而无法蒸发。另外值得注意的是，用于收集水蒸气的亚克力玻璃容器在用于收集部分有机溶剂（N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮）时会发生明显的腐蚀而损坏，只能采用纯玻璃类容器才可收集。

表2 常用有机溶剂物性

图9 太阳能界面蒸发系统（水体系/有机溶剂体系）与材料要求总结

经文献调研总结发现，此领域前期研究工作仍较少，属于探索阶段。Fang 等[111]将合成的立方普鲁士蓝（PB）纳米晶体原位加载在棉花纤维（CFs）上，成功地用于光热技术纯化介电常数为2.38～37.78 的有机溶剂库（丙酮、甲苯、乙醇、水、正丙醇、N,N-二甲基甲酰胺、正己醇、N-甲基吡咯烷酮），在模拟废有机溶剂蒸发过程中的染料分子去除率高达99.9%。将太阳能界面蒸发技术应用于有机溶剂的分离纯化领域是一个极具挑战性的难题，任重而道远。但克服了这个困难就可以将有机溶剂的高效分离从耗费能源这一束缚中解脱出来，这将极大促进现代工业领域的绿色发展。

5 结语

太阳能界面蒸发系统的能效对未来量化生产十分关键，主要指标包括蒸汽蒸发速率、能量转换效率，本文基于产热机理分类综述了金属基等离子体材料、碳基材料、半导体材料、生物质材料等近年来太阳能高效蒸发器材料的最新进展以及当前对太阳能界面蒸发系统与材料的要求，在此基础上对有机溶剂体系的光热材料要求更为严苛，还需考虑溶剂的运输、长期稳定性、溶剂与材料的匹配性和蒸汽收集的安全性。此外，界面蒸发应用于有机溶剂处理，还有一个难点就是不同有机物的分离，蒸发更多程度上依赖于溶剂沸点，沸点相似则难以分离纯化。

近年来，太阳能界面蒸发作为新型节能技术在海水淡化领域受到广泛研究与关注，在光催化、有机溶剂处理领域也有所报道。但即便已经有了近十年的发展历史，太阳能界面蒸发技术仍面临着许多问题：①理论支持不足，现如今对于太阳能界面蒸发这一过程的微观变化、水分子在与盐水或重金属离子的脱离过程、这一阶段发生的先后顺序及相变过程中水分子是否有不同的状态，仍没有明确的解释；②光热转换效率的计算没有统一标准，无法对不同类型的光热材料进行同一水平的对比，无法判别哪一类材料可达到最大的能量利用；③实验室水平的测试与现实的实际应用的差异性尚不知晓，实际海水淡化或废水处理的水源比实验水平的盐度、酸碱度、离子种类都更为复杂，太阳能蒸汽发生器的机械稳定性、可循环周期的差异无从对比；④实现连续生产是一个化工过程现实应用必须考虑的问题，但昼夜更替的天象对实现连续的水蒸发收集是一个严重的障碍。

此外，真正的实践应用中合适的结构设计对蒸发出的洁净水的收集也是十分重要的，在密闭装置中进行蒸汽冷却，整个过程湿度不断增大，蒸发率随之降低，所以有效回收冷凝水也是对蒸发率的另一种提高。总之，未来几十年太阳能界面蒸发技术仍具有广阔的应用前景，也不仅仅局限于海水淡化、污水处理、有机溶剂纯化，而是实现太阳能界面蒸发技术与蒸汽发电、光催化、光解水产氢的联用，太阳能界面蒸发技术的发展仍有待去探索开发。