【本期推薦】李小可，楊銳， 廖胤皓，等｜太陽能驅動界面蒸發中的碳基材料：碳減排機制與應用前景

原《天然氣化工—C1化學與化工》，經國家新聞出版署批復更名為《低碳化學與化工》。

作者簡介

李小可，男，成都理工大學副教授，碩士研究生導師，西安交通大學博士后。主要從事太陽能光熱轉換與太陽能熱利用技術相關領域的研究，截止目前在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Water Research、Internal Journal of Heat and Mass Transfer等期刊發表高水平論文70余篇，總他引次數超過2000次，H指數為15，并有多篇論文入選ESI熱點論文和高被引論文，連續四年入選全球前2%頂尖科學家（2022~2025年）。郵箱：xiaokeli319@126.com

敬登偉（1977—），博士，教授，研究方向為能源轉化系統中的微納尺度顆粒液固兩相流及其與復雜物理場、化學場的高效耦合，E-mail：dwjing@mail.xjtu.edu.cn。

課題組簡介

成都理工大學“熱質納能”課題組目前共有副教授2人、研究員1人、講師1人。研究方向為太陽能光熱利用、能量轉化及傳遞中的傳熱傳質基礎，主要包括納米流體及其應用、微納材料與太陽能界面蒸發、高含鹽污水處理、功能化凝膠材料的合成與應用、傳熱傳質的分子動力學模擬、能源小分子催化轉化、表界面化學及多相催化領域。

太陽能驅動界面蒸發中的碳基材料：碳減排機制與應用前景

李小可 1,2,3 楊銳 2廖胤皓 3周立宏 3,4敬登偉 1

1. 西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049；2. 成都理工大學 材料與化學化工學院，四川 成都 610059；3. 天府永興實驗室，四川 成都 610213；4. 成都理工大學 生態環境學院，四川 成都 610059

摘 要 太陽能驅動界面蒸發（SIE）技術憑借其綠色環保和低能耗等優勢，為應對全球水資源短缺與能源危機提供了全新解決思路。近年來，碳基材料憑借其優異的光熱轉換性能、大比表面積以及良好的化學穩定性，在上述領域中展現出巨大應用潛力。碳基材料能夠顯著提升能量轉換效率，降低系統成本，同時在減少碳排放方面亦有作用。綜述了碳基材料在太陽能驅動界面蒸發技術中的研究進展，重點圍繞其光熱轉換、水傳輸及抗鹽等機制進行深入探討，分析其碳減排潛力，并展望其在海水淡化和污水處理等領域的應用前景，旨在為構建高效、低成本和可持續的水處理技術提供參考，以助力“碳中和”目標的實現。

關鍵詞 太陽能驅動界面蒸發；碳基材料；碳減排；水處理

進入21世紀以來，人類正面臨全球水資源短缺與能源危機的重大挑戰 [ 1-4] 。傳統水處理技術，如反滲透和熱蒸餾 [ 5-9] ，盡管具有良好的處理效果，但高能耗和高碳排放的問題顯著，進一步加重了環境負擔。例如，反滲透技術依賴高壓泵和復雜的預處理系統，不僅運行成本高，而且對環境影響較大；多級蒸餾技術則需大量熱能輸入，設備構造復雜，維護成本亦較高。因此，開發可持續、低碳的水處理技術已成為當務之急。太陽能驅動界面蒸發（SIE）技術作為一種新興水處理方法，依托太陽能驅動材料界面處的水蒸發過程，可實現海水淡化及污水凈化 [10] 。該技術具備綠色環保、低能耗和低成本的優勢，為解決全球水資源問題提供了新的思路。然而，傳統太陽能驅動界面蒸發技術仍然面臨能量轉換效率有限、產水率低及成本較高等問題，阻礙了其大規模應用 [ 11-16] 。從技術原理來看，太陽能驅動界面蒸發的性能在很大程度上取決于材料的光熱轉換性能、結構設計及成本效益 [15] 。目前，傳統材料在光能吸收與轉換過程中仍存在較大能量損耗，同時光生載流子復合率較高，導致能量轉換效率難以提升。此外，材料的比表面積、孔隙率等物理特性亦影響水分傳輸及蒸發效率，進而限制了產水率。同時，高性能材料的制備工藝復雜且資源稀缺，進一步推高了整體成本，使得太陽能驅動界面蒸發技術在大規模應用中面臨經濟性挑戰。因此，開發兼具高效光熱轉換性能、優化物理結構且易于獲取與制備的新型材料，是突破太陽能驅動界面蒸發技術瓶頸、推動其實際應用的關鍵所在。

目前，太陽能驅動界面蒸發技術中廣泛應用的材料包括金屬及半導體材料、高分子聚合物材料以及碳基材料等 [17] 。其中，金屬及半導體材料因其優異的光吸收與傳導性能而備受關注，但較高的成本以及潛在的環境影響限制了其進一步推廣。高分子聚合物材料雖然具備良好的柔韌性與可加工性，但在光熱轉換性能和穩定性方面仍存在一定局限性。近年來，碳基材料憑借其卓越的光熱轉換性能、大比表面積及優異的化學穩定性，在太陽能驅動界面蒸發技術領域展現出巨大的應用潛力 [ 18-21] 。將碳基材料引入太陽能驅動界面蒸發系統，不僅有助于提升能量轉換效率、降低系統成本，同時還能進一步減少碳排放，為該技術的持續發展提供了新的機遇。

本文綜述近年來碳基材料在太陽能驅動界面蒸發領域的研究進展（ 圖1 ），重點探討碳基材料在光熱轉換、水傳輸及抗鹽方面的作用機制，并系統分析其在太陽能驅動界面蒸發系統中的碳減排機制。同時，本文將對碳基材料在海水淡化、污水處理等領域的應用前景進行展望，旨在為高效、低成本、可持續的太陽能驅動界面蒸發技術的研發提供參考，并為推動“碳中和”目標實現貢獻力量。

▲ 圖1 太陽能驅動界面蒸發：碳基材料的作用與應用前景

1碳基材料在太陽能驅動界面蒸發中的作用機制

碳基材料因其優異的光熱轉換性能、高效的水傳輸效率以及良好的抗鹽污染性能，在太陽能驅動界面蒸發技術的研究中受到廣泛關注。碳基材料在太陽能驅動界面蒸發中的作用機制主要包括以下幾個方面。（1）光熱轉換原理：碳基材料如石墨烯、碳納米管和生物質碳具有寬帶光吸收特性，能夠高效地將太陽光轉化為熱能；局域表面等離子體共振效應（LSPR）和分子熱振動進一步提升了材料光熱轉換性能；不同碳基材料的光熱轉換性能受到其結構和組成的影響。（2）水傳輸機制：碳基材料的多孔結構和親水性對水傳輸起著關鍵作用；多孔結構為水分子提供了豐富的傳輸通道，而親水性則促進了水分子的吸附與傳輸；在界面蒸發系統中，通過設計多層結構、復合材料，采用天然材料及納米通道等策略，可以進一步優化水傳輸路徑，從而提高蒸發效率。（3）抗鹽機制：碳基材料在太陽能驅動界面蒸發過程中展示了良好的抗鹽污染性能；自清潔效應、離子排斥作用以及異質蒸發界面的設計是其主要的抗鹽機制；通過表面修飾、結構設計和材料復合等手段，可以進一步提高碳基材料的抗鹽性能。碳基材料在太陽能驅動界面蒸發中的主要作用機制見 表1 。

▼ 表1 碳基材料在太陽能驅動界面蒸發中的主要作用機制

1.1 碳基材料的光熱轉換原理

目前，碳基材料憑借其優異的光熱轉換性能，已成為太陽能驅動界面蒸發技術中常用的光熱轉化材料之一，包括石墨烯、碳納米管和生物質碳等 [ 22-24] ，其光熱轉換機制主要涉及以下幾個方面。（1）寬帶光吸收：石墨烯、碳納米管等碳基材料具有豐富的共軛π鍵結構，能夠高效吸收從紫外到近紅外的寬波段太陽光 [25] ；其光吸收能力主要源于電子從π軌道到π*軌道的躍遷，該躍遷可覆蓋整個太陽光譜，使碳基材料能夠有效地將光能轉化為熱能。（2）局域表面等離子體共振效應：盡管LSPR效應主要存在于金屬納米材料中，但通過將碳基材料與金屬納米顆粒復合，可利用該效應進一步提升光熱轉換性能 [26] ；當金屬納米顆粒與碳基材料結合時，金屬的局域表面等離子體共振能夠將光能集中至納米顆粒表面，提高局部溫度，從而增強整體的光熱轉換性能。（3）分子熱振動：碳基材料中的化學鍵（如C—C、C—H鍵等）在吸收光能后，通過分子熱振動將光能高效轉化為熱能；這一機制使碳基材料在光吸收后能夠迅速升溫，促進界面蒸發過程 [27] 。不同類型的碳基材料在光熱轉換性能方面存在差異，其性能受材料的結構、制備工藝及復合方式等多種因素的影響。

石墨烯憑借其超高的載流子遷移率和熱導率，以及優異的機械性能和化學穩定性，展現出優異的寬帶光吸收能力和高效的光熱轉換性能。如分級石墨烯泡沫（h-G泡沫）的光熱轉換效率可達93.4%（ 圖2 (a)），在1 kW/m 2 光照條件下，蒸發效率超過90% [28] 。此外，長程垂直對齊的3D石墨烯片狀薄膜（VA-GSM）在相同光照條件下，其平均蒸發速率可達1.62 kg/(m 2 ·h)，蒸發效率高達86.5%（ 圖2 (b)） [29] 。石墨烯的光熱轉換性能受到其結構及制備工藝的影響。如具有連續孔隙度的分級石墨烯泡沫能最大限度減少入射光的反射和透射，從而提高光吸收效率。此外，石墨烯的層數、缺陷密度及其與其他材料的復合方式等因素，也對其光熱性能有重要影響 [30] 。

G泡沫為石墨烯泡沫。

▲ 圖2 多級石墨烯泡沫的結構(a)[28]和垂直排列管狀結構的3D石墨烯片狀薄膜(b)[29]

碳納米管由于其一維納米結構和大比表面積，展現出優異的光熱轉換性能和光熱穩定性。垂直排列的碳納米管在寬光譜范圍內具有幾乎恒定的光學吸收率（0.98~0.99），其光熱轉換效率可達90%，且在其輔助下，水的蒸發速率幾乎是純水的10倍 [ 31-33] 。然而，碳納米管的光熱性能受到排列方式、直徑、長度及純度等因素的影響。垂直排列的碳納米管能夠最大限度地減少光的反射和透射，從而提高光吸收效率。此外，碳納米管的缺陷密度及摻雜情況同樣會對其光熱轉換性能產生影響 [34] 。

生物質碳材料來源廣泛、環境友好，并具有豐富的孔隙結構和良好的光吸收性能，是一種極具潛力的光熱轉換材料。通過簡單的碳化工藝制備的生物質碳材料，在1 kW/m 2 光照下，其蒸發速率可達1.386 kg/(m 2 ·h)，蒸發效率約為90.88% [35] 。然而，生物質碳的光熱性能受其原料種類、碳化溫度及后處理工藝的影響。不同生物質原料（如木材、農作物秸稈等）具有不同的化學組成和微觀結構，這會影響原料碳化后的光熱性能。此外，碳化溫度和后處理工藝（如活化、摻雜等）也會影響生物質碳的孔隙結構和表面化學性質，進而影響其光熱轉換性能 [36] 。

1.2 碳基材料的水傳輸機制及路徑設計

碳基材料憑借其獨特的物理和化學特性，展現出優異的水傳輸性能。其中，多孔結構與親水性是影響水傳輸的關鍵因素，而在基于碳基材料的界面蒸發系統中，通過合理設計水傳輸路徑，可進一步優化水傳輸效率 [37] 。本節將從碳基材料的多孔結構與親水性對水傳輸的影響，以及界面蒸發系統中水傳輸路徑的設計策略兩個方面展開討論。

1.2.1 碳基材料的多孔結構和親水性對水傳輸的影響

碳基材料的多孔結構為水傳輸提供了豐富的毛細通道，有效促進了水分子的快速輸運。多孔結構依靠毛細作用，可迅速吸收和傳輸水分，同時降低水分子之間的氫鍵密度，削弱分子間相互作用，從而降低蒸發焓，加速汽化過程。例如，具有分級多孔結構的石墨烯泡沫和碳納米管陣列，能夠通過其內部相互連通的孔隙快速補充蒸發消耗的水分 [34] 。這一多孔結構不僅提高了水的傳輸效率，還增強了界面蒸發系統的整體性能。

碳基材料的親水性是影響水傳輸的另一個關鍵因素。親水性表面可通過氫鍵與水分子相互作用，促進水分子的吸附和傳輸。例如，還原氧化石墨烯（rGO）和碳化植物材料等具有良好的親水性，能夠依靠其內部相互連通的孔隙快速補充蒸發消耗的水分 [37] 。此外，親水性表面還能夠降低水的蒸發焓，從而提高蒸發效率。通過優化碳基材料的親水性，可進一步提升界面蒸發系統的水傳輸效率。

1.2.2 基于碳基材料的界面蒸發系統水傳輸路徑設計策略

（1）多層結構設計

多層結構設計通過構建不同功能的分層材料，優化光吸收和隔熱性能，從而提高水傳輸效率（ 圖3 ） [ 38-40] 。例如，GAN等 [38] 設計了一種多層結構的光熱蒸發器，其頂層為光吸收層，底層為隔熱層，能夠有效減少熱量向散裝水的傳遞，同時確保水分的快速傳輸。該多層結構的蒸發速率可達3.66 kg/(m 2 ·h)，能量效率為96.9%（ 圖3 (a)）。此外，WU等 [39] 通過將氮摻雜微孔石墨與Cu納米顆粒復合，開發了一種高效光熱蒸發器，其在1 kW/m 2 光照下的蒸發速率可達1.64 kg/(m 2 ·h)（ 圖3 (b)）。

▲ 圖3 Janus結構碳-石墨烯復合氣凝膠制造工藝(a)[38]、氮摻雜微孔碳包覆的Cu納米材料(b)[39]以及海綿模板法制備三明治結構的還原氧化石墨烯限域金納米顆粒納米片(c)[40]

（2）復合材料設計

復合材料設計通過結合不同材料的優勢，進一步優化水傳輸路徑。例如，ZHU等 [40] 采用三聚氰胺海綿（MS）模板法，將金納米顆粒（Au-NPs）負載至還原氧化石墨烯納米片中，制備了三明治狀納米板（rGO/Au-NPs/rGO）（ 圖 3 (c)）。該復合材料在10 kW/m 2 高光照條件下，能量轉換效率高達85.2%，水蒸發速率達到11.58 kg/(m 2 ·h)。由 圖3 (c)可知，該復合材料不僅增強了光吸收性能，還通過金屬納米顆粒的局域表面等離子體共振效應，進一步提升了光熱轉換性能。

（3）天然材料利用

天然材料憑借其豐富的多孔結構和優異的親水性，成為理想的水傳輸基體。例如，ZHANG等 [41] 利用絲瓜絡作為光熱生物質材料，開發了一種高效的太陽能蒸發器BBH-L（ 圖4 (a)），其在1 kW/m 2 光照下的蒸發速率可達4.37 kg/(m 2 ·h)。SU等 [42] 基于天然向日葵莖髓設計了一種高效的太陽能蒸發器SPH（ 圖4 (b)），其蒸發速率可達1.9 kg/(m 2 ·h)。這些天然材料不僅成本低廉，而且具備良好的環境適應性。

分圖(b)莖髓的橫截面上，中心區域的微孔多為規則六邊形，而外圍的部分六邊形沿徑向逐漸延伸，直至最外層呈矩形管狀，水蒸氣通過微孔擴散。

▲ 圖4 BBH-L的結構和相應的太陽能驅動界面蒸發機制(a)[41]、SPH進行太陽能蒸發時的微觀結構和工作原理(b)[42]和光熱碳化木基太陽能蒸汽發生裝置(c)[43]

（4）納米通道設計

納米通道設計通過減少水分子之間的相互作用，降低蒸發焓，從而加速水的蒸發。例如，BANG等 [43] 設計了一種具有多孔結構的三維石墨烯網絡（ 圖4 (c)），并結合水傳輸木材，實現了高效的太陽能淡化效果，其蒸發速率可達1.492 kg/(m 2 ·h)。該納米通道設計不僅提高了水傳輸效率，還通過選擇性地允許水分子通過，同時排除水合金屬離子，進一步優化了蒸發性能。

1.3 碳基材料的抗鹽機制及性能改進

1.3.1 碳基材料在太陽能驅動界面蒸發過程中抗鹽污染的原理

在太陽能驅動界面蒸發過程中，碳基材料的抗鹽污染機制主要體現在自清潔效應、離子排斥作用以及異質蒸發界面等方面。自清潔效應是指碳基材料的疏水表面能夠有效防止鹽分在材料表面的沉積。例如，HU等 [44] 開發的Janus木材蒸發器（ 圖5 (a)），其碳化疏水頂層具有防水和抗鹽性能，能夠有效阻止鹽分在表面的積累。該自清潔效應不僅減少了鹽分對光吸收層的干擾，還提高了系統的長期穩定性。離子排斥作用通過在碳基材料表面引入親水性涂層或納米結構，增強水分子的傳輸性能，同時有效排斥鹽離子。例如，SU等 [42] 利用兩性離子水凝膠涂層改性的天然向日葵莖髓蒸發器，表現出高效的離子排斥能力，能夠在海水中長期穩定運行。該離子排斥作用有效防止鹽分在蒸發器表面的積累，從而提高蒸發效率。通過設計特殊的結構，形成異質蒸發界面，可以將鹽結晶區域與蒸發區域分離，從而有效減少鹽分對蒸發過程的干擾。例如，ABDELSALAM等 [45] 開發的紅樹林仿生太陽能蒸發器（ 圖5 (b)），通過將鹽結晶區域與水蒸發區域分開，實現了連續的太陽能驅動蒸汽生成和鹽回收。這種設計不僅提高了蒸發效率，還實現了鹽的回收利用。

▲ 圖5 具有自組裝納米纖維網絡和垂直排列仿生纖維素/聚吡咯涂層的二氧化硅/石墨烯蒸發器(a)[44]、紅樹林仿生太陽能蒸餾結晶裝置設計及其晝夜工作原理(b)[45]

1.3.2 提高碳基材料抗鹽性能的方法

提高碳基材料抗鹽性能的方法包括表面修飾、結構設計、材料復合及其他輔助手段（ 圖6 ） [37, 46-51] 。這些方法通過改善親水性、促進鹽分擴散或利用協同效應，顯著增強了材料在高鹽環境下的穩定性。

▲ 圖6 石墨烯-CuO復合材料的制備過程(a)[46]和PDA@聚氨酯太陽能蒸發器(b)[47]、具有高效抗鹽性能的Janus分層多孔結構碳石墨烯復合氣凝膠(c)[37]、具有大尺寸多孔微觀結構的多級多孔還原氧化石墨烯/炭黑太陽能蒸發器(d)[48]、基于碳化鎢/碳納米復合材料的水蒸發膜結構(e)[49]、利用回收的塑料制備界面蒸發器并用于太陽能界面水蒸發和發電聯產(f)[50]和具有超彈性和光熱性能的太陽能蒸發器(g)[51]

（1）表面修飾

通過表面修飾改變碳基材料的親疏水性或引入抗鹽功能基團，可以有效提升其抗鹽性能。WEI等 [46] 開發了一種石墨烯-CuO親水性復合材料（ 圖6 (a)），該材料通過在涂有CuCl 2 的聚酰亞胺薄膜（PI）上進行激光誘導石墨烯（LIG）處理，增強了材料的親水性和抗鹽性能，能夠在質量分數為10%的NaCl溶液中穩定蒸發水分。HUANG等 [47] 在碳基材料表面涂覆聚多巴胺（PDA），提升了親水性和抗鹽性，使其在質量分數10% NaCl溶液中實現持續高效蒸發（ 圖6 (b)）。

（2）結構設計

通過設計多孔或分層結構，可以促進鹽分的擴散和輸運，防止鹽結晶。GAN等 [37] 設計了一種多孔耐鹽碳基氣凝膠（CFGOA），其具有雙區結構（ 圖6 (c)），在全碳框架內具有獨立的表面潤濕性，集成了頂部疏水性光吸收rGO層和底部親水性多孔碳層。這種獨特的結構賦予了CFGOA多重優異特性，使其在質量分數為20.2%的NaCl溶液中能夠保持高效蒸發。YANG等 [48] 利用3D打印技術制備了具有微通道的碳基材料（ 圖6 (d)），有效防止鹽結晶，并在高鹽度環境下實現穩定運行。

（3）材料復合

通過將碳基材料與其他功能材料復合，可以利用協同效應提高抗鹽性能。SUN等 [49] 將碳基材料與親水性聚合物復合，增強了抗鹽性，從而在高鹽度環境下實現了穩定蒸發（ 圖6 (e)）。HU等 [50] 將碳基材料與棉布復合（ 圖6 (f)），結合金屬有機框架（MOFs）的高孔隙率和選擇性吸附特性，提升了抗鹽性，在質量分數3.5% NaCl溶液中表現出高效的蒸發性能。

（4）其他方法

其他方法，如電場輔助和光熱轉換增強等，也有助于提高材料的抗鹽性能。ZHU等 [51] 通過利用光熱轉換增強材料表面溫度，促進鹽分的擴散，從而在高鹽度條件下實現穩定運行（ 圖6 (g)）。此外，ZHANG等 [52] 設計了一種耐鹽Janus結構蒸發器（FHJE），其頂部蒸發層由引入Fe 3+ 的光熱膜構成，能夠提高太陽能的捕獲和轉換效率。同時，Fe 3+ 通過增強Donnan效應，利用固定電荷對離子運動的阻礙作用，排斥鹽水中的陰離子和陽離子，從而實現抗鹽功能。底層由植酸和聚乙烯醇（PVA）組成的生物質親水性水凝膠構成，有助于水的快速傳輸。此設計使FHJE在高鹽度環境下展現出卓越的耐鹽性能。

2碳基材料在太陽能驅動界面蒸發中的碳減排機制

2.1 材料制備過程碳減排

傳統水處理材料（如金屬氧化物、聚合物膜等）的制備通常依賴于高溫、高壓或復雜的化學合成工藝，這些過程通常伴隨著高能耗和高碳排放 [51] 。例如，金屬氧化物的合成通常需要在高溫下進行煅燒，而聚合物膜的制造則依賴于石油基原料，這些生產過程不僅消耗大量能源，還會排放大量溫室氣體。

相比之下，碳基材料（如生物質碳、石墨烯和碳納米管等）的制備過程通常更加環保。碳基材料可以通過低溫碳化、水熱合成等較為溫和的工藝進行制備，其原料來源廣泛，包括生物質和廢棄物等可再生資源 [53] 。研究表明，碳基材料的制備過程中的碳排放量顯著低于傳統材料 [54] 。例如，生物質碳材料與金屬氧化物材料的制備過程相比，前者的碳排放量僅約為后者的30%。同時，利用可再生資源或廢棄物制備碳基材料已成為研究的重點之一 [55] 。例如，生物質碳化技術能夠將農業廢棄物（如稻殼、秸稈）轉化為高性能的碳基材料 [56] 。WU等 [57] 報道了一種以稻殼為原料制備多孔碳材料的方法，該材料在太陽能驅動界面蒸發中展示了優異的光熱轉換性能和抗鹽性能。此外，廢舊塑料的轉化為碳基材料的制備提供了新的思路。KONG等 [58] 開發了一種將廢舊聚乙烯塑料轉化為碳納米片的技術，該技術不僅有效減少了塑料污染，還實現了資源的高效利用。這些方法不僅降低了碳基材料的制備成本，同時顯著降低了碳排放，符合可持續發展的理念。

2.2 系統運行過程碳減排

2.2.1 太陽能驅動界面蒸發系統的碳排放優勢

傳統水處理技術（如反滲透、多效蒸餾等）通常依賴于化石燃料驅動的電力或熱能，因此在運行過程中會產生大量的碳排放（ 表2 ）。例如，反滲透技術需要高壓泵驅動，導致能耗較高；而多效蒸餾則需要持續的熱能供應，這通常由燃煤或燃氣鍋爐提供。與傳統水處理技術相比，太陽能驅動界面蒸發系統的碳排放量顯著較低。這是因為太陽能驅動界面蒸發技術僅依賴太陽能作為能量來源，無需外部電力或熱能，因此在運行過程中幾乎不產生碳排放。YU等 [59] 對太陽能驅動界面蒸發系統與傳統反滲透系統的碳排放進行了對比，結果表明，前者的碳排放量僅為后者的約5%。此外，太陽能驅動界面蒸發技術還適用于分布式水處理系統，能夠降低由于長距離輸水所帶來的能源消耗和碳排放 [60] 。

▼ 表2 太陽能驅動界面蒸發系統與傳統水處理技術的碳排放對比

2.2.2 基于碳基材料的太陽能驅動界面蒸發系統的優化策略

為進一步降低碳排放，研究者提出了多種優化策略，主要包括提高能量利用效率、提升產水速率以及延長材料使用壽命等。例如，ZHANG等 [61] 開發了一種具有垂直孔道的碳基材料（ 圖7 (a)），其光熱轉換效率超過90%，顯著降低了單位產水能耗，從而提高了系統的能量利用效率。WANG等 [62] 通過優化材料的結構和表面性質，設計了一種基于碳基材料的多層蒸發器，其產水速率比傳統蒸發器提高了50%以上（ 圖7 (b)）。另一方面，增強材料的抗鹽性和機械穩定性有助于減小材料的更換頻率，從而降低碳排放。HE等 [63] 開發了一種基于碳基材料與金屬有機框架復合的蒸發器，該蒸發器在高鹽度環境下表現出優異的耐久性（ 圖7 (c)）。

▲ 圖7 內部具有垂直排列的規則通道集成自浮式太陽能驅動界面蒸發器(a)[61]、Janus碳納米管海綿界面蒸發器(b)[62]和MOFs可控碳化制備海膽狀多孔碳材料并用于光熱海水淡化(c)[63]

3碳基材料在太陽能驅動界面蒸發中的應用前景

3.1 海水淡化

基于碳基材料的太陽能驅動界面蒸發系統在海水淡化領域展現了廣泛的應用潛力，憑借其高效的光熱轉換性能和低成本優勢，成為解決淡水資源短缺問題的關鍵技術之一。YU等 [64] 開發了一種基于石墨烯的多層結構蒸發器（ 圖8 (a)），在1 kW/m 2 光強下實現了2.41 kg/(m 2 ·h)的蒸發速率。該蒸發器通過調節石墨烯的孔隙結構，有效提升了水蒸氣的逸出效率，同時減少了熱損失。HAN等 [65] 設計了一種自漂浮的碳納米管膜（ 圖8 (b)），其光熱轉換效率超過90%，并在海水淡化中實現了1.87 kg/(m 2 ·h)的蒸發速率。該系統的創新在于其自漂浮特性，省去了復雜的支撐結構，從而降低了制造成本。近年來，研究者還開始探索將太陽能驅動界面蒸發系統與其他技術相結合，實現多功能集成。HE等 [66] 開發了一種光熱-光電耦合系統（ 圖8 (c)），該系統利用碳基材料同時實現海水淡化和電力生產。在1 kW/m 2 的光照條件下，該系統達到了2.1 kg/(m 2 ·h)的蒸發速率，并產生了20.3 mA/m 2 最大短路電流，提供了5.3 mW/m 2 額外電力，展示了其在能源和資源綜合利用方面的潛力。

▲ 圖8 具有分級孔洞的多孔石墨烯蒸發器(a)[64]、具有自漂浮特性的氧化石墨烯/碳納米管膜(b)[65]、具有同步海水淡化和鹽化發電功能的太陽能蒸發器(c)[66]、具有不對稱潤濕性自除垢Janus蒸發器(d)[69]和一種綠色可持續的木質生物炭水蒸發發電裝置(e)[70]

盡管基于碳基材料的太陽能驅動界面蒸發系統在海水淡化領域取得了顯著進展，但其在實際應用中仍面臨若干挑戰，未來的研究應聚焦以下幾個關鍵方向。（1）提高系統穩定性：碳基材料在長時間光照和高溫環境下容易發生氧化或結構退化，從而導致性能下降，為解決這一問題，未來的研究可以通過表面修飾或復合材料的開發，增強材料的抗氧化性和耐腐蝕性。例如，HUO等 [67] 提出在碳基材料表面引入保護性涂層，顯著提高了其在惡劣環境中的穩定性。（2）降低制水成本：目前系統的制水成本較高，主要受到材料制備成本和設備維護費用的制約，未來的研究應致力于開發低成本且可大規模生產的碳基材料。例如，XIE等 [68] 采用生物質廢棄物制備碳基材料，既降低了成本，又實現了資源的高效利用。（3）解決鹽分積累問題：鹽分積累是限制系統持續運行的關鍵因素，未來的研究可以通過設計自清潔或抗鹽結晶的蒸發界面來應對這一挑戰。例如，LI等 [69] 開發了一種親水-疏水異質結構蒸發器（ 圖8 (d)），成功防止了鹽分在蒸發界面上的沉積。（4）多功能集成與智能化：未來的太陽能驅動界面蒸發系統有望與其他技術（如光伏發電、廢水處理等）結合，實現多功能集成，同時借助智能材料或傳感器技術，還能夠實現系統的實時監控和優化運行。例如，LI等 [70] 開發的光熱-光電耦合系統（WEIG）展示了多功能集成在提高能源效率方面的潛力（ 圖8 (e)），該系統基于木質生物炭（WBC）的高效制備：在管式爐中，木質纖維素原料（LCF）經過處理后轉化為WBC，再與乙基纖維素（EC）和乙醇混合，制成均勻的漿料，最后通過硅膠墊澆鑄并在空氣中熱解制造WEIG。該材料的一大優勢是WBC中存在親水官能團，這使得其能夠從水中持續發電，無需額外的親水處理。結果表明，富含木質素的WBC特別適合用于WEIG，進一步證明了碳基材料在多功能集成與智能化方面的廣泛應用潛力。

3.2 污水處理

基于碳基材料的太陽能驅動界面蒸發系統不僅在海水淡化領域表現出顯著的應用潛力，近年來也被廣泛應用于污水處理領域。該系統憑借其優異的光熱轉換性能、低成本特性以及對污染物的高效去除能力，成為應對水污染問題的重要手段之一。

碳基材料因其大比表面積、豐富的表面官能團以及優異的光熱性能，廣泛應用于重金屬離子的吸附與去除。太陽能驅動界面蒸發系統通過光熱效應產生的局部高溫，可加速重金屬離子的吸附和沉淀過程。BAI等 [71] 開發了一種基于石墨烯的太陽能驅動界面蒸發系統（ 圖9 (a)），用于去除水中的鉛離子（Pb 2+ ）和錳離子（Mn 2+ ）。該系統通過石墨烯表面含氧官能團與重金屬離子之間的化學吸附作用，有效去除了Pb 2+ 和Mn 2+ 。此外，光熱效應所產生的局部高溫進一步促進了重金屬離子的沉淀和富集。

▲ 圖9 具有高效的重金屬廢水凈化和清潔水生產功能的蒸發器(a)[71]、具有協同光催化效果的Janus蒸發器(b)[73]具有光熱轉化和催化活化的協同作用的雙功能蒸發器(c)[74]、具有同時去除VOC（苯酚）和生產清潔水功能的界面蒸發器(d)[75]和具有三相界面的新型界面光蒸發-光催化耦合系統(e)[76]

碳基材料在光催化降解有機污染物方面表現出優異的性能。通過將光催化材料（如TiO 2 、MoS 2 ）與碳基材料復合，太陽能驅動界面蒸發系統可在光熱效應的協同作用下實現有機污染物的高效降解 [72] 。WEN等 [73] 設計了一種碳基TiO 2 復合蒸發器（ 圖9 (b)），用于降解水中的有機染料（如曲利苯藍和剛果紅）。在太陽能驅動下，碳基材料的光熱效應提高了局部溫度，進而增強了TiO 2 的光催化活性，使染料的降解效率達到95%以上。該系統展示了光熱與光催化協同作用在有機污染物降解中的潛力。CHANG等 [74] 開發了一種泡沫-MoS 2 復合蒸發器（ 圖9 (c)），用于降解水中的抗生素（如四環素（TC））。MoS 2 作為光催化劑，在太陽能驅動下產生活性氧物種（ROS），有效降解了四環素分子。蒸發器的光熱效應進一步提高了系統整體效率，四環素的降解率超過80%。

太陽能驅動界面蒸發系統還可用于降解水中的可揮發性有機物（VOCs）。通過光熱效應與光催化作用的結合，碳基材料能夠有效吸附并降解VOCs。WANG等 [75] 開發了一種石墨烯氧化物基蒸發器（ 圖9 (d)），用于去除水中的苯系物。石墨烯氧化物的大比表面積和親水性使其能夠高效吸附苯系物，同時光熱效應產生的局部高溫促進了苯系物的揮發和光催化降解。此外，作者課題組通過構建由鐵基金屬有機框架（NH 2 -MIL88B）和多壁碳納米管組成的異質結構，并將其與明膠-聚乙烯醇雙網絡水凝膠相結合，開發了一種新型界面光蒸發-光催化系統（ 圖9 (e)） [76] 。該系統通過引入三相界面結構顯著增強了熱對流，不僅提高了光熱轉換性能，還通過優化熱對流顯著提升了對水蒸發和有機污染物光催化降解性能，特別對四環素表現出了優異的降解性能（86.6%）。

3.3 其他應用

基于碳基材料的太陽能驅動界面蒸發技術不僅在海水淡化和污水處理領域表現出顯著的應用潛力，近年來還廣泛應用于農業灌溉、工業廢水處理等其他領域。

太陽能驅動界面蒸發技術為農業灌溉提供了一種可持續的水資源解決方案，特別是在干旱和半干旱地區。通過太陽能驅動的蒸發與冷凝過程，該系統能夠從非傳統水源（如咸水或微咸水）中提取淡水，用于農作物灌溉。ZHAO等 [77] 開發了一種基于碳基材料的太陽能驅動界面蒸發系統（ 圖10 ），該系統利用石墨烯的優異光吸收性能和多孔結構，從微咸水中提取淡水，并通過冷凝裝置將水蒸氣轉化為液態水。結果表明，在1 kW/m 2 下，該系統表現出6.6 kg/(m 2 ·h)的出色平均蒸發率，足以滿足小型農田的灌溉需求。ZOU等 [78] 提出了一種基于太陽能驅動吸濕性水凝膠材料的植物蒸騰和土壤蒸發水回收裝置，用于減少土壤水分的蒸發損失。該裝置通過吸收太陽能并轉化為熱能，抑制了土壤表面的水分蒸發，同時將部分水分以蒸氣形式重新凝結回土壤。實驗表明，使用該裝置可以節約44.9%灌溉水，顯著提高了灌溉水的利用效率。

▲ 圖10 基于3D梯度石墨烯氣凝膠的連續脫鹽灌溉系統[77]

工業廢水通常含有高濃度的污染物（如重金屬、有機化合物和鹽分），而傳統處理方法不僅成本高昂，且效率較低。基于碳基材料的太陽能驅動界面蒸發技術為工業廢水處理提供了一種高效、低成本的解決方案 [79] 。ZHONG等 [80] 開發了一種三維碳納米纖維/氧化石墨烯復合氣凝膠，用于處理高鹽工業廢水。該系統通過光熱效應蒸發廢水中的水分，同時將鹽分結晶并分離。結果表明，在處理NaCl質量分數為24.0%的高鹽水和工業廢水時，蒸發器表面沒有出現鹽結晶。YANG等 [25] 設計了一種石墨烯基蒸發器，用于處理含油廢水。得益于石墨烯的疏水性和光熱性能，該系統能夠有效分離油水混合物，并通過太陽能驅動的蒸發過程提取水分。結果表明，該系統在處理含油廢水時效率達到90%以上，且油分殘留量低于1 mg/L。除了工業廢水外，CHANG等 [81] 還開發了一種基于碳基材料的太陽能驅動界面蒸發系統，用于處理醫療廢水中的病原體和有機污染物。該系統通過光熱效應與光催化作用的協同，能夠高效滅活病原體并降解有機污染物。結果表明，該系統對大腸桿菌的滅活率超過99%。

4結語與展望

碳基材料在太陽能驅動界面蒸發技術中展現出顯著優勢及廣泛應用潛力。其優異的光吸收性能（光吸收率通常超過90%）使其能夠高效地將太陽能轉化為熱能。此外，碳基材料的多孔結構與親水性有助于水分的高效傳輸與水蒸氣的快速逸出，顯著提升了蒸發效率。與此同時，其低成本、可持續性及環境友好性使其成為太陽能驅動界面蒸發系統中理想的光熱轉換材料。這些優勢使得碳基材料在海水淡化、污水處理、農業灌溉以及工業廢水處理等多個場景展現出廣泛的應用前景。盡管如此，碳基材料在實際應用中仍面臨諸多挑戰。例如，其長期穩定性較差，在持續光照與高溫條件下易發生氧化或結構退化，導致性能衰退；此外，盡管當前系統具有較高的光熱轉換性能，但整體能量利用效率仍受熱損失與蒸發速率的制約；鹽分積累亦制約了系統的持續運行，尤其在高鹽度環境下；同時，碳基材料的制備成本與規模化生產工藝仍需進一步優化，以降低系統整體成本并加速其大規模推廣應用。

在碳減排方面，碳基材料展現出顯著的應用潛力。其制備過程通常采用低溫碳化或水熱合成等環保工藝，所造成的碳排放量遠低于傳統材料。運行過程中，太陽能驅動界面蒸發技術以太陽能為唯一能量輸入，在水處理過程中幾乎不產生碳排放。相比傳統水處理技術（如反滲透和多效蒸餾），其碳排放量約為后者的5%。此外，該技術還適用于分布式水處理系統，可有效降低長距離輸水所帶來的能源消耗與碳排放。

未來研究建議聚焦于以下幾個方面。（1）開發高性能復合材料，以進一步提升光熱轉換性能和材料穩定性。例如，利用納米復合技術將碳基材料與其他功能材料結合。（2）探索智能化系統設計，引入形狀記憶材料或光敏材料，以實現材料性能的自反饋調節和系統的遠程監控功能。（3）多功能一體化系統的開發將成為研究重點，將太陽能驅動界面蒸發技術與海水淡化、農業灌溉、廢水處理及能源回收等多個應用場景耦合，以提高資源利用效率。（4）進一步提升碳基材料在復雜環境條件下的耐久性與可持續性，降低系統運行成本，推動相關技術從實驗室研究向實際應用轉化。

綜上所述，基于碳基材料的太陽能驅動界面蒸發技術在緩解水資源短缺和環境污染問題方面展現出巨大潛力，并可在實現“碳中和”目標過程中發揮重要作用。未來研究應聚焦于突破現有技術瓶頸，開發高性能、低成本的碳基材料，優化系統設計，同時探索其在“碳中和”背景下的多重應用場景，以加速該技術的實際應用與商業化進程。

DOI：10.12434/j.issn.2097-2547.20250066

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