【研究背景】
水资源短缺和能源危机迫使人们迫切开发具有可持续能源的先进净水技术。太阳能热转换技术以其绿色、低成本、低碳足迹在水处理应用中引起了人们的关注。光热材料将阳光转化为热量，是太阳能利用的关键。本文综述了石墨烯、MXene和过渡金属二硫化物等二维光热材料在水处理及相关领域的应用和设计策略的进展。进一步描述了材料的光吸收和光热转换效率的评价标准。然后，通过形态学工程构建不同的光捕获结构（微观孔结构、层次结构和仿生结构），解决紧密堆叠的二维光热材料在光反射方面的局限性，是主要关注的问题。最后，讨论了二维光热材料在应用中的挑战和前景。本文旨在通过总结二维光热材料形态调控对增强光吸收的影响，加深对热性能改善机制和材料构效关系的理解。
目前，该文以“The nexus of solar absorption and morphology designs based on 2D photothermal materials: From rational design to advanced application of water purification”为题在《Chemical Engineering Journal》上发表。文章通讯作者为东北电力大学化工学院张海丰教授。
【文章解读】
图1. (a) 二维金属加热中局域等离子体加热的演示。（b）2D MXenes中基于LSPR的光热转换机制。(c) 非化学计量半导体中LSPR效应的示意图。
图2. （a） 二维半导体加热中的非辐射弛豫图示。（b） 分子的热振动。
图3. 入射光管理。
图4. 光陷阱效应。
图5. 仿生结构用于光管理。
图6. 仿生结构用于光管理。
【文章总结】
该综述分析了应用于水的二维材料的进展，如石墨烯、MXene和过渡金属二硫化物。通过控制微观形貌，如微观孔结构和层次结构，入射光可以在微纳米材料内部多次散射和反射，增加其吸收光的能力；通过将2D光热材料与具有高光吸收的宏观尺度材料相结合，可以在宏观层面直接扩大光与材料相互作用的区域；通过学习蝴蝶翅膀、黄瓜Salvinia cuccullata和蘑菇等生物的光捕获结构，光热材料可以有效地收集阳光，同时从自然界学习水的运输、蒸发和消毒策略。材料的形态调节不仅增强了其捕获光的能力，还提高了其疏水性、超疏水性、抗菌活性和防冰能力。此外，光热材料在水蒸气输送、能量管理、离子选择、比表面积和催化活性位点方面的特性也将受到形态变化的影响。此外，对阳光、水和光热材料之间相互作用的研究可以提高我们对一些自然生物行为的理解。揭示了二维光热材料在太阳能界面蒸发、杀菌和其他水处理应用中的挑战和前景，并提出了可行的策略。
当太阳能界面蒸发系统用于处理挥发性有机化合物（VOC）废水时，随着界面蒸发过程温度的升高，VOC会因其低沸点而蒸馏并与水蒸气聚集。挥发性有机物的聚集对水质安全构成了严重威胁。光热效应和光催化作为光驱动界面的协同作用，以及太阳能界面蒸发与高级氧化或Fenton/Fenton样的耦合，有望实现水中挥发性有机物的有效去除。光催化剂的引入可以在界面处产生ROS，这有利于污染物的快速降解。实际的VOCs废水通常由各种挥发性和化学性质不同的有机化合物组成。因此，基于光催化的太阳能界面蒸发系统必须适用于降解不同类型的挥发性有机化合物。此外，由于VOCs浓度相对较低，有必要提高降解效率以满足排放标准。
在实际应用中，太阳能界面蒸发系统的稳定性可能会受到气象条件等变量的影响，这些变量会影响蒸发效率和光催化降解效率。太阳能界面蒸发器系统的未来发展可能会结合光伏系统或相变材料来实现全天候蒸发。
【文献来源】
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156450
声明：仅代表小编个人观点，如有不严谨之处，请您留言指正或讨论！
欢迎广大科研工作者推荐或投递有关光热界面蒸发领域的资讯、科研成果及前沿。
