原《天然气化工—C1化学与化工》，经国家新闻出版署批复更名为《低碳化学与化工》。
作者简介
李小可，男，成都理工大学副教授，硕士研究生导师，西安交通大学博士后。主要从事太阳能光热转换与太阳能热利用技术相关领域的研究，截止目前在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Water Research、Internal Journal of Heat and Mass Transfer等期刊发表高水平论文70余篇，总他引次数超过2000次，H指数为15，并有多篇论文入选ESI热点论文和高被引论文，连续四年入选全球前2%顶尖科学家（2022~2025年）。邮箱：xiaokeli319@126.com
敬登伟（1977—），博士，教授，研究方向为能源转化系统中的微纳尺度颗粒液固两相流及其与复杂物理场、化学场的高效耦合，E-mail：dwjing@mail.xjtu.edu.cn。
课题组简介
成都理工大学“热质纳能”课题组目前共有副教授2人、研究员1人、讲师1人。研究方向为太阳能光热利用、能量转化及传递中的传热传质基础，主要包括纳米流体及其应用、微纳材料与太阳能界面蒸发、高含盐污水处理、功能化凝胶材料的合成与应用、传热传质的分子动力学模拟、能源小分子催化转化、表界面化学及多相催化领域。
太阳能驱动界面蒸发中的碳基材料：碳减排机制与应用前景
李小可 1,2,3 杨锐 2廖胤皓 3周立宏 3,4敬登伟 1
1. 西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049；2. 成都理工大学 材料与化学化工学院，四川 成都 610059；3. 天府永兴实验室，四川 成都 610213；4. 成都理工大学 生态环境学院，四川 成都 610059
摘 要 太阳能驱动界面蒸发（SIE）技术凭借其绿色环保和低能耗等优势，为应对全球水资源短缺与能源危机提供了全新解决思路。近年来，碳基材料凭借其优异的光热转换性能、大比表面积以及良好的化学稳定性，在上述领域中展现出巨大应用潜力。碳基材料能够显著提升能量转换效率，降低系统成本，同时在减少碳排放方面亦有作用。综述了碳基材料在太阳能驱动界面蒸发技术中的研究进展，重点围绕其光热转换、水传输及抗盐等机制进行深入探讨，分析其碳减排潜力，并展望其在海水淡化和污水处理等领域的应用前景，旨在为构建高效、低成本和可持续的水处理技术提供参考，以助力“碳中和”目标的实现。
关键词 太阳能驱动界面蒸发；碳基材料；碳减排；水处理
进入21世纪以来，人类正面临全球水资源短缺与能源危机的重大挑战 [ 1-4] 。传统水处理技术，如反渗透和热蒸馏 [ 5-9] ，尽管具有良好的处理效果，但高能耗和高碳排放的问题显著，进一步加重了环境负担。例如，反渗透技术依赖高压泵和复杂的预处理系统，不仅运行成本高，而且对环境影响较大；多级蒸馏技术则需大量热能输入，设备构造复杂，维护成本亦较高。因此，开发可持续、低碳的水处理技术已成为当务之急。太阳能驱动界面蒸发（SIE）技术作为一种新兴水处理方法，依托太阳能驱动材料界面处的水蒸发过程，可实现海水淡化及污水净化 [10] 。该技术具备绿色环保、低能耗和低成本的优势，为解决全球水资源问题提供了新的思路。然而，传统太阳能驱动界面蒸发技术仍然面临能量转换效率有限、产水率低及成本较高等问题，阻碍了其大规模应用 [ 11-16] 。从技术原理来看，太阳能驱动界面蒸发的性能在很大程度上取决于材料的光热转换性能、结构设计及成本效益 [15] 。目前，传统材料在光能吸收与转换过程中仍存在较大能量损耗，同时光生载流子复合率较高，导致能量转换效率难以提升。此外，材料的比表面积、孔隙率等物理特性亦影响水分传输及蒸发效率，进而限制了产水率。同时，高性能材料的制备工艺复杂且资源稀缺，进一步推高了整体成本，使得太阳能驱动界面蒸发技术在大规模应用中面临经济性挑战。因此，开发兼具高效光热转换性能、优化物理结构且易于获取与制备的新型材料，是突破太阳能驱动界面蒸发技术瓶颈、推动其实际应用的关键所在。
目前，太阳能驱动界面蒸发技术中广泛应用的材料包括金属及半导体材料、高分子聚合物材料以及碳基材料等 [17] 。其中，金属及半导体材料因其优异的光吸收与传导性能而备受关注，但较高的成本以及潜在的环境影响限制了其进一步推广。高分子聚合物材料虽然具备良好的柔韧性与可加工性，但在光热转换性能和稳定性方面仍存在一定局限性。近年来，碳基材料凭借其卓越的光热转换性能、大比表面积及优异的化学稳定性，在太阳能驱动界面蒸发技术领域展现出巨大的应用潜力 [ 18-21] 。将碳基材料引入太阳能驱动界面蒸发系统，不仅有助于提升能量转换效率、降低系统成本，同时还能进一步减少碳排放，为该技术的持续发展提供了新的机遇。
本文综述近年来碳基材料在太阳能驱动界面蒸发领域的研究进展（ 图1 ），重点探讨碳基材料在光热转换、水传输及抗盐方面的作用机制，并系统分析其在太阳能驱动界面蒸发系统中的碳减排机制。同时，本文将对碳基材料在海水淡化、污水处理等领域的应用前景进行展望，旨在为高效、低成本、可持续的太阳能驱动界面蒸发技术的研发提供参考，并为推动“碳中和”目标实现贡献力量。
▲ 图1 太阳能驱动界面蒸发：碳基材料的作用与应用前景
1碳基材料在太阳能驱动界面蒸发中的作用机制
碳基材料因其优异的光热转换性能、高效的水传输效率以及良好的抗盐污染性能，在太阳能驱动界面蒸发技术的研究中受到广泛关注。碳基材料在太阳能驱动界面蒸发中的作用机制主要包括以下几个方面。（1）光热转换原理：碳基材料如石墨烯、碳纳米管和生物质碳具有宽带光吸收特性，能够高效地将太阳光转化为热能；局域表面等离子体共振效应（LSPR）和分子热振动进一步提升了材料光热转换性能；不同碳基材料的光热转换性能受到其结构和组成的影响。（2）水传输机制：碳基材料的多孔结构和亲水性对水传输起着关键作用；多孔结构为水分子提供了丰富的传输通道，而亲水性则促进了水分子的吸附与传输；在界面蒸发系统中，通过设计多层结构、复合材料，采用天然材料及纳米通道等策略，可以进一步优化水传输路径，从而提高蒸发效率。（3）抗盐机制：碳基材料在太阳能驱动界面蒸发过程中展示了良好的抗盐污染性能；自清洁效应、离子排斥作用以及异质蒸发界面的设计是其主要的抗盐机制；通过表面修饰、结构设计和材料复合等手段，可以进一步提高碳基材料的抗盐性能。碳基材料在太阳能驱动界面蒸发中的主要作用机制见 表1 。
▼ 表1 碳基材料在太阳能驱动界面蒸发中的主要作用机制
1.1 碳基材料的光热转换原理
目前，碳基材料凭借其优异的光热转换性能，已成为太阳能驱动界面蒸发技术中常用的光热转化材料之一，包括石墨烯、碳纳米管和生物质碳等 [ 22-24] ，其光热转换机制主要涉及以下几个方面。（1）宽带光吸收：石墨烯、碳纳米管等碳基材料具有丰富的共轭π键结构，能够高效吸收从紫外到近红外的宽波段太阳光 [25] ；其光吸收能力主要源于电子从π轨道到π*轨道的跃迁，该跃迁可覆盖整个太阳光谱，使碳基材料能够有效地将光能转化为热能。（2）局域表面等离子体共振效应：尽管LSPR效应主要存在于金属纳米材料中，但通过将碳基材料与金属纳米颗粒复合，可利用该效应进一步提升光热转换性能 [26] ；当金属纳米颗粒与碳基材料结合时，金属的局域表面等离子体共振能够将光能集中至纳米颗粒表面，提高局部温度，从而增强整体的光热转换性能。（3）分子热振动：碳基材料中的化学键（如C—C、C—H键等）在吸收光能后，通过分子热振动将光能高效转化为热能；这一机制使碳基材料在光吸收后能够迅速升温，促进界面蒸发过程 [27] 。不同类型的碳基材料在光热转换性能方面存在差异，其性能受材料的结构、制备工艺及复合方式等多种因素的影响。
石墨烯凭借其超高的载流子迁移率和热导率，以及优异的机械性能和化学稳定性，展现出优异的宽带光吸收能力和高效的光热转换性能。如分级石墨烯泡沫（h-G泡沫）的光热转换效率可达93.4%（ 图2 (a)），在1 kW/m 2 光照条件下，蒸发效率超过90% [28] 。此外，长程垂直对齐的3D石墨烯片状薄膜（VA-GSM）在相同光照条件下，其平均蒸发速率可达1.62 kg/(m 2 ·h)，蒸发效率高达86.5%（ 图2 (b)） [29] 。石墨烯的光热转换性能受到其结构及制备工艺的影响。如具有连续孔隙度的分级石墨烯泡沫能最大限度减少入射光的反射和透射，从而提高光吸收效率。此外，石墨烯的层数、缺陷密度及其与其他材料的复合方式等因素，也对其光热性能有重要影响 [30] 。
G泡沫为石墨烯泡沫。
▲ 图2 多级石墨烯泡沫的结构(a)[28]和垂直排列管状结构的3D石墨烯片状薄膜(b)[29]
碳纳米管由于其一维纳米结构和大比表面积，展现出优异的光热转换性能和光热稳定性。垂直排列的碳纳米管在宽光谱范围内具有几乎恒定的光学吸收率（0.98~0.99），其光热转换效率可达90%，且在其辅助下，水的蒸发速率几乎是纯水的10倍 [ 31-33] 。然而，碳纳米管的光热性能受到排列方式、直径、长度及纯度等因素的影响。垂直排列的碳纳米管能够最大限度地减少光的反射和透射，从而提高光吸收效率。此外，碳纳米管的缺陷密度及掺杂情况同样会对其光热转换性能产生影响 [34] 。
生物质碳材料来源广泛、环境友好，并具有丰富的孔隙结构和良好的光吸收性能，是一种极具潜力的光热转换材料。通过简单的碳化工艺制备的生物质碳材料，在1 kW/m 2 光照下，其蒸发速率可达1.386 kg/(m 2 ·h)，蒸发效率约为90.88% [35] 。然而，生物质碳的光热性能受其原料种类、碳化温度及后处理工艺的影响。不同生物质原料（如木材、农作物秸秆等）具有不同的化学组成和微观结构，这会影响原料碳化后的光热性能。此外，碳化温度和后处理工艺（如活化、掺杂等）也会影响生物质碳的孔隙结构和表面化学性质，进而影响其光热转换性能 [36] 。
1.2 碳基材料的水传输机制及路径设计
碳基材料凭借其独特的物理和化学特性，展现出优异的水传输性能。其中，多孔结构与亲水性是影响水传输的关键因素，而在基于碳基材料的界面蒸发系统中，通过合理设计水传输路径，可进一步优化水传输效率 [37] 。本节将从碳基材料的多孔结构与亲水性对水传输的影响，以及界面蒸发系统中水传输路径的设计策略两个方面展开讨论。
1.2.1 碳基材料的多孔结构和亲水性对水传输的影响
碳基材料的多孔结构为水传输提供了丰富的毛细通道，有效促进了水分子的快速输运。多孔结构依靠毛细作用，可迅速吸收和传输水分，同时降低水分子之间的氢键密度，削弱分子间相互作用，从而降低蒸发焓，加速汽化过程。例如，具有分级多孔结构的石墨烯泡沫和碳纳米管阵列，能够通过其内部相互连通的孔隙快速补充蒸发消耗的水分 [34] 。这一多孔结构不仅提高了水的传输效率，还增强了界面蒸发系统的整体性能。
碳基材料的亲水性是影响水传输的另一个关键因素。亲水性表面可通过氢键与水分子相互作用，促进水分子的吸附和传输。例如，还原氧化石墨烯（rGO）和碳化植物材料等具有良好的亲水性，能够依靠其内部相互连通的孔隙快速补充蒸发消耗的水分 [37] 。此外，亲水性表面还能够降低水的蒸发焓，从而提高蒸发效率。通过优化碳基材料的亲水性，可进一步提升界面蒸发系统的水传输效率。
1.2.2 基于碳基材料的界面蒸发系统水传输路径设计策略
（1）多层结构设计
多层结构设计通过构建不同功能的分层材料，优化光吸收和隔热性能，从而提高水传输效率（ 图3 ） [ 38-40] 。例如，GAN等 [38] 设计了一种多层结构的光热蒸发器，其顶层为光吸收层，底层为隔热层，能够有效减少热量向散装水的传递，同时确保水分的快速传输。该多层结构的蒸发速率可达3.66 kg/(m 2 ·h)，能量效率为96.9%（ 图3 (a)）。此外，WU等 [39] 通过将氮掺杂微孔石墨与Cu纳米颗粒复合，开发了一种高效光热蒸发器，其在1 kW/m 2 光照下的蒸发速率可达1.64 kg/(m 2 ·h)（ 图3 (b)）。
▲ 图3 Janus结构碳-石墨烯复合气凝胶制造工艺(a)[38]、氮掺杂微孔碳包覆的Cu纳米材料(b)[39]以及海绵模板法制备三明治结构的还原氧化石墨烯限域金纳米颗粒纳米片(c)[40]
（2）复合材料设计
复合材料设计通过结合不同材料的优势，进一步优化水传输路径。例如，ZHU等 [40] 采用三聚氰胺海绵（MS）模板法，将金纳米颗粒（Au-NPs）负载至还原氧化石墨烯纳米片中，制备了三明治状纳米板（rGO/Au-NPs/rGO）（ 图 3 (c)）。该复合材料在10 kW/m 2 高光照条件下，能量转换效率高达85.2%，水蒸发速率达到11.58 kg/(m 2 ·h)。由 图3 (c)可知，该复合材料不仅增强了光吸收性能，还通过金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应，进一步提升了光热转换性能。
（3）天然材料利用
天然材料凭借其丰富的多孔结构和优异的亲水性，成为理想的水传输基体。例如，ZHANG等 [41] 利用丝瓜络作为光热生物质材料，开发了一种高效的太阳能蒸发器BBH-L（ 图4 (a)），其在1 kW/m 2 光照下的蒸发速率可达4.37 kg/(m 2 ·h)。SU等 [42] 基于天然向日葵茎髓设计了一种高效的太阳能蒸发器SPH（ 图4 (b)），其蒸发速率可达1.9 kg/(m 2 ·h)。这些天然材料不仅成本低廉，而且具备良好的环境适应性。
分图(b)茎髓的横截面上，中心区域的微孔多为规则六边形，而外围的部分六边形沿径向逐渐延伸，直至最外层呈矩形管状，水蒸气通过微孔扩散。
▲ 图4 BBH-L的结构和相应的太阳能驱动界面蒸发机制(a)[41]、SPH进行太阳能蒸发时的微观结构和工作原理(b)[42]和光热碳化木基太阳能蒸汽发生装置(c)[43]
（4）纳米通道设计
纳米通道设计通过减少水分子之间的相互作用，降低蒸发焓，从而加速水的蒸发。例如，BANG等 [43] 设计了一种具有多孔结构的三维石墨烯网络（ 图4 (c)），并结合水传输木材，实现了高效的太阳能淡化效果，其蒸发速率可达1.492 kg/(m 2 ·h)。该纳米通道设计不仅提高了水传输效率，还通过选择性地允许水分子通过，同时排除水合金属离子，进一步优化了蒸发性能。
1.3 碳基材料的抗盐机制及性能改进
1.3.1 碳基材料在太阳能驱动界面蒸发过程中抗盐污染的原理
在太阳能驱动界面蒸发过程中，碳基材料的抗盐污染机制主要体现在自清洁效应、离子排斥作用以及异质蒸发界面等方面。自清洁效应是指碳基材料的疏水表面能够有效防止盐分在材料表面的沉积。例如，HU等 [44] 开发的Janus木材蒸发器（ 图5 (a)），其碳化疏水顶层具有防水和抗盐性能，能够有效阻止盐分在表面的积累。该自清洁效应不仅减少了盐分对光吸收层的干扰，还提高了系统的长期稳定性。离子排斥作用通过在碳基材料表面引入亲水性涂层或纳米结构，增强水分子的传输性能，同时有效排斥盐离子。例如，SU等 [42] 利用两性离子水凝胶涂层改性的天然向日葵茎髓蒸发器，表现出高效的离子排斥能力，能够在海水中长期稳定运行。该离子排斥作用有效防止盐分在蒸发器表面的积累，从而提高蒸发效率。通过设计特殊的结构，形成异质蒸发界面，可以将盐结晶区域与蒸发区域分离，从而有效减少盐分对蒸发过程的干扰。例如，ABDELSALAM等 [45] 开发的红树林仿生太阳能蒸发器（ 图5 (b)），通过将盐结晶区域与水蒸发区域分开，实现了连续的太阳能驱动蒸汽生成和盐回收。这种设计不仅提高了蒸发效率，还实现了盐的回收利用。
▲ 图5 具有自组装纳米纤维网络和垂直排列仿生纤维素/聚吡咯涂层的二氧化硅/石墨烯蒸发器(a)[44]、红树林仿生太阳能蒸馏结晶装置设计及其昼夜工作原理(b)[45]
1.3.2 提高碳基材料抗盐性能的方法
提高碳基材料抗盐性能的方法包括表面修饰、结构设计、材料复合及其他辅助手段（ 图6 ） [37, 46-51] 。这些方法通过改善亲水性、促进盐分扩散或利用协同效应，显著增强了材料在高盐环境下的稳定性。
▲ 图6 石墨烯-CuO复合材料的制备过程(a)[46]和PDA@聚氨酯太阳能蒸发器(b)[47]、具有高效抗盐性能的Janus分层多孔结构碳石墨烯复合气凝胶(c)[37]、具有大尺寸多孔微观结构的多级多孔还原氧化石墨烯/炭黑太阳能蒸发器(d)[48]、基于碳化钨/碳纳米复合材料的水蒸发膜结构(e)[49]、利用回收的塑料制备界面蒸发器并用于太阳能界面水蒸发和发电联产(f)[50]和具有超弹性和光热性能的太阳能蒸发器(g)[51]
（1）表面修饰
通过表面修饰改变碳基材料的亲疏水性或引入抗盐功能基团，可以有效提升其抗盐性能。WEI等 [46] 开发了一种石墨烯-CuO亲水性复合材料（ 图6 (a)），该材料通过在涂有CuCl 2 的聚酰亚胺薄膜（PI）上进行激光诱导石墨烯（LIG）处理，增强了材料的亲水性和抗盐性能，能够在质量分数为10%的NaCl溶液中稳定蒸发水分。HUANG等 [47] 在碳基材料表面涂覆聚多巴胺（PDA），提升了亲水性和抗盐性，使其在质量分数10% NaCl溶液中实现持续高效蒸发（ 图6 (b)）。
（2）结构设计
通过设计多孔或分层结构，可以促进盐分的扩散和输运，防止盐结晶。GAN等 [37] 设计了一种多孔耐盐碳基气凝胶（CFGOA），其具有双区结构（ 图6 (c)），在全碳框架内具有独立的表面润湿性，集成了顶部疏水性光吸收rGO层和底部亲水性多孔碳层。这种独特的结构赋予了CFGOA多重优异特性，使其在质量分数为20.2%的NaCl溶液中能够保持高效蒸发。YANG等 [48] 利用3D打印技术制备了具有微通道的碳基材料（ 图6 (d)），有效防止盐结晶，并在高盐度环境下实现稳定运行。
（3）材料复合
通过将碳基材料与其他功能材料复合，可以利用协同效应提高抗盐性能。SUN等 [49] 将碳基材料与亲水性聚合物复合，增强了抗盐性，从而在高盐度环境下实现了稳定蒸发（ 图6 (e)）。HU等 [50] 将碳基材料与棉布复合（ 图6 (f)），结合金属有机框架（MOFs）的高孔隙率和选择性吸附特性，提升了抗盐性，在质量分数3.5% NaCl溶液中表现出高效的蒸发性能。
（4）其他方法
其他方法，如电场辅助和光热转换增强等，也有助于提高材料的抗盐性能。ZHU等 [51] 通过利用光热转换增强材料表面温度，促进盐分的扩散，从而在高盐度条件下实现稳定运行（ 图6 (g)）。此外，ZHANG等 [52] 设计了一种耐盐Janus结构蒸发器（FHJE），其顶部蒸发层由引入Fe 3+ 的光热膜构成，能够提高太阳能的捕获和转换效率。同时，Fe 3+ 通过增强Donnan效应，利用固定电荷对离子运动的阻碍作用，排斥盐水中的阴离子和阳离子，从而实现抗盐功能。底层由植酸和聚乙烯醇（PVA）组成的生物质亲水性水凝胶构成，有助于水的快速传输。此设计使FHJE在高盐度环境下展现出卓越的耐盐性能。
2碳基材料在太阳能驱动界面蒸发中的碳减排机制
2.1 材料制备过程碳减排
传统水处理材料（如金属氧化物、聚合物膜等）的制备通常依赖于高温、高压或复杂的化学合成工艺，这些过程通常伴随着高能耗和高碳排放 [51] 。例如，金属氧化物的合成通常需要在高温下进行煅烧，而聚合物膜的制造则依赖于石油基原料，这些生产过程不仅消耗大量能源，还会排放大量温室气体。
相比之下，碳基材料（如生物质碳、石墨烯和碳纳米管等）的制备过程通常更加环保。碳基材料可以通过低温碳化、水热合成等较为温和的工艺进行制备，其原料来源广泛，包括生物质和废弃物等可再生资源 [53] 。研究表明，碳基材料的制备过程中的碳排放量显著低于传统材料 [54] 。例如，生物质碳材料与金属氧化物材料的制备过程相比，前者的碳排放量仅约为后者的30%。同时，利用可再生资源或废弃物制备碳基材料已成为研究的重点之一 [55] 。例如，生物质碳化技术能够将农业废弃物（如稻壳、秸秆）转化为高性能的碳基材料 [56] 。WU等 [57] 报道了一种以稻壳为原料制备多孔碳材料的方法，该材料在太阳能驱动界面蒸发中展示了优异的光热转换性能和抗盐性能。此外，废旧塑料的转化为碳基材料的制备提供了新的思路。KONG等 [58] 开发了一种将废旧聚乙烯塑料转化为碳纳米片的技术，该技术不仅有效减少了塑料污染，还实现了资源的高效利用。这些方法不仅降低了碳基材料的制备成本，同时显著降低了碳排放，符合可持续发展的理念。
2.2 系统运行过程碳减排
2.2.1 太阳能驱动界面蒸发系统的碳排放优势
传统水处理技术（如反渗透、多效蒸馏等）通常依赖于化石燃料驱动的电力或热能，因此在运行过程中会产生大量的碳排放（ 表2 ）。例如，反渗透技术需要高压泵驱动，导致能耗较高；而多效蒸馏则需要持续的热能供应，这通常由燃煤或燃气锅炉提供。与传统水处理技术相比，太阳能驱动界面蒸发系统的碳排放量显著较低。这是因为太阳能驱动界面蒸发技术仅依赖太阳能作为能量来源，无需外部电力或热能，因此在运行过程中几乎不产生碳排放。YU等 [59] 对太阳能驱动界面蒸发系统与传统反渗透系统的碳排放进行了对比，结果表明，前者的碳排放量仅为后者的约5%。此外，太阳能驱动界面蒸发技术还适用于分布式水处理系统，能够降低由于长距离输水所带来的能源消耗和碳排放 [60] 。
▼ 表2 太阳能驱动界面蒸发系统与传统水处理技术的碳排放对比
2.2.2 基于碳基材料的太阳能驱动界面蒸发系统的优化策略
为进一步降低碳排放，研究者提出了多种优化策略，主要包括提高能量利用效率、提升产水速率以及延长材料使用寿命等。例如，ZHANG等 [61] 开发了一种具有垂直孔道的碳基材料（ 图7 (a)），其光热转换效率超过90%，显著降低了单位产水能耗，从而提高了系统的能量利用效率。WANG等 [62] 通过优化材料的结构和表面性质，设计了一种基于碳基材料的多层蒸发器，其产水速率比传统蒸发器提高了50%以上（ 图7 (b)）。另一方面，增强材料的抗盐性和机械稳定性有助于减小材料的更换频率，从而降低碳排放。HE等 [63] 开发了一种基于碳基材料与金属有机框架复合的蒸发器，该蒸发器在高盐度环境下表现出优异的耐久性（ 图7 (c)）。
▲ 图7 内部具有垂直排列的规则通道集成自浮式太阳能驱动界面蒸发器(a)[61]、Janus碳纳米管海绵界面蒸发器(b)[62]和MOFs可控碳化制备海胆状多孔碳材料并用于光热海水淡化(c)[63]
3碳基材料在太阳能驱动界面蒸发中的应用前景
3.1 海水淡化
基于碳基材料的太阳能驱动界面蒸发系统在海水淡化领域展现了广泛的应用潜力，凭借其高效的光热转换性能和低成本优势，成为解决淡水资源短缺问题的关键技术之一。YU等 [64] 开发了一种基于石墨烯的多层结构蒸发器（ 图8 (a)），在1 kW/m 2 光强下实现了2.41 kg/(m 2 ·h)的蒸发速率。该蒸发器通过调节石墨烯的孔隙结构，有效提升了水蒸气的逸出效率，同时减少了热损失。HAN等 [65] 设计了一种自漂浮的碳纳米管膜（ 图8 (b)），其光热转换效率超过90%，并在海水淡化中实现了1.87 kg/(m 2 ·h)的蒸发速率。该系统的创新在于其自漂浮特性，省去了复杂的支撑结构，从而降低了制造成本。近年来，研究者还开始探索将太阳能驱动界面蒸发系统与其他技术相结合，实现多功能集成。HE等 [66] 开发了一种光热-光电耦合系统（ 图8 (c)），该系统利用碳基材料同时实现海水淡化和电力生产。在1 kW/m 2 的光照条件下，该系统达到了2.1 kg/(m 2 ·h)的蒸发速率，并产生了20.3 mA/m 2 最大短路电流，提供了5.3 mW/m 2 额外电力，展示了其在能源和资源综合利用方面的潜力。
▲ 图8 具有分级孔洞的多孔石墨烯蒸发器(a)[64]、具有自漂浮特性的氧化石墨烯/碳纳米管膜(b)[65]、具有同步海水淡化和盐化发电功能的太阳能蒸发器(c)[66]、具有不对称润湿性自除垢Janus蒸发器(d)[69]和一种绿色可持续的木质生物炭水蒸发发电装置(e)[70]
尽管基于碳基材料的太阳能驱动界面蒸发系统在海水淡化领域取得了显著进展，但其在实际应用中仍面临若干挑战，未来的研究应聚焦以下几个关键方向。（1）提高系统稳定性：碳基材料在长时间光照和高温环境下容易发生氧化或结构退化，从而导致性能下降，为解决这一问题，未来的研究可以通过表面修饰或复合材料的开发，增强材料的抗氧化性和耐腐蚀性。例如，HUO等 [67] 提出在碳基材料表面引入保护性涂层，显著提高了其在恶劣环境中的稳定性。（2）降低制水成本：目前系统的制水成本较高，主要受到材料制备成本和设备维护费用的制约，未来的研究应致力于开发低成本且可大规模生产的碳基材料。例如，XIE等 [68] 采用生物质废弃物制备碳基材料，既降低了成本，又实现了资源的高效利用。（3）解决盐分积累问题：盐分积累是限制系统持续运行的关键因素，未来的研究可以通过设计自清洁或抗盐结晶的蒸发界面来应对这一挑战。例如，LI等 [69] 开发了一种亲水-疏水异质结构蒸发器（ 图8 (d)），成功防止了盐分在蒸发界面上的沉积。（4）多功能集成与智能化：未来的太阳能驱动界面蒸发系统有望与其他技术（如光伏发电、废水处理等）结合，实现多功能集成，同时借助智能材料或传感器技术，还能够实现系统的实时监控和优化运行。例如，LI等 [70] 开发的光热-光电耦合系统（WEIG）展示了多功能集成在提高能源效率方面的潜力（ 图8 (e)），该系统基于木质生物炭（WBC）的高效制备：在管式炉中，木质纤维素原料（LCF）经过处理后转化为WBC，再与乙基纤维素（EC）和乙醇混合，制成均匀的浆料，最后通过硅胶垫浇铸并在空气中热解制造WEIG。该材料的一大优势是WBC中存在亲水官能团，这使得其能够从水中持续发电，无需额外的亲水处理。结果表明，富含木质素的WBC特别适合用于WEIG，进一步证明了碳基材料在多功能集成与智能化方面的广泛应用潜力。
3.2 污水处理
基于碳基材料的太阳能驱动界面蒸发系统不仅在海水淡化领域表现出显著的应用潜力，近年来也被广泛应用于污水处理领域。该系统凭借其优异的光热转换性能、低成本特性以及对污染物的高效去除能力，成为应对水污染问题的重要手段之一。
碳基材料因其大比表面积、丰富的表面官能团以及优异的光热性能，广泛应用于重金属离子的吸附与去除。太阳能驱动界面蒸发系统通过光热效应产生的局部高温，可加速重金属离子的吸附和沉淀过程。BAI等 [71] 开发了一种基于石墨烯的太阳能驱动界面蒸发系统（ 图9 (a)），用于去除水中的铅离子（Pb 2+ ）和锰离子（Mn 2+ ）。该系统通过石墨烯表面含氧官能团与重金属离子之间的化学吸附作用，有效去除了Pb 2+ 和Mn 2+ 。此外，光热效应所产生的局部高温进一步促进了重金属离子的沉淀和富集。
▲ 图9 具有高效的重金属废水净化和清洁水生产功能的蒸发器(a)[71]、具有协同光催化效果的Janus蒸发器(b)[73]具有光热转化和催化活化的协同作用的双功能蒸发器(c)[74]、具有同时去除VOC（苯酚）和生产清洁水功能的界面蒸发器(d)[75]和具有三相界面的新型界面光蒸发-光催化耦合系统(e)[76]
碳基材料在光催化降解有机污染物方面表现出优异的性能。通过将光催化材料（如TiO 2 、MoS 2 ）与碳基材料复合，太阳能驱动界面蒸发系统可在光热效应的协同作用下实现有机污染物的高效降解 [72] 。WEN等 [73] 设计了一种碳基TiO 2 复合蒸发器（ 图9 (b)），用于降解水中的有机染料（如曲利苯蓝和刚果红）。在太阳能驱动下，碳基材料的光热效应提高了局部温度，进而增强了TiO 2 的光催化活性，使染料的降解效率达到95%以上。该系统展示了光热与光催化协同作用在有机污染物降解中的潜力。CHANG等 [74] 开发了一种泡沫-MoS 2 复合蒸发器（ 图9 (c)），用于降解水中的抗生素（如四环素（TC））。MoS 2 作为光催化剂，在太阳能驱动下产生活性氧物种（ROS），有效降解了四环素分子。蒸发器的光热效应进一步提高了系统整体效率，四环素的降解率超过80%。
太阳能驱动界面蒸发系统还可用于降解水中的可挥发性有机物（VOCs）。通过光热效应与光催化作用的结合，碳基材料能够有效吸附并降解VOCs。WANG等 [75] 开发了一种石墨烯氧化物基蒸发器（ 图9 (d)），用于去除水中的苯系物。石墨烯氧化物的大比表面积和亲水性使其能够高效吸附苯系物，同时光热效应产生的局部高温促进了苯系物的挥发和光催化降解。此外，作者课题组通过构建由铁基金属有机框架（NH 2 -MIL88B）和多壁碳纳米管组成的异质结构，并将其与明胶-聚乙烯醇双网络水凝胶相结合，开发了一种新型界面光蒸发-光催化系统（ 图9 (e)） [76] 。该系统通过引入三相界面结构显著增强了热对流，不仅提高了光热转换性能，还通过优化热对流显著提升了对水蒸发和有机污染物光催化降解性能，特别对四环素表现出了优异的降解性能（86.6%）。
3.3 其他应用
基于碳基材料的太阳能驱动界面蒸发技术不仅在海水淡化和污水处理领域表现出显著的应用潜力，近年来还广泛应用于农业灌溉、工业废水处理等其他领域。
太阳能驱动界面蒸发技术为农业灌溉提供了一种可持续的水资源解决方案，特别是在干旱和半干旱地区。通过太阳能驱动的蒸发与冷凝过程，该系统能够从非传统水源（如咸水或微咸水）中提取淡水，用于农作物灌溉。ZHAO等 [77] 开发了一种基于碳基材料的太阳能驱动界面蒸发系统（ 图10 ），该系统利用石墨烯的优异光吸收性能和多孔结构，从微咸水中提取淡水，并通过冷凝装置将水蒸气转化为液态水。结果表明，在1 kW/m 2 下，该系统表现出6.6 kg/(m 2 ·h)的出色平均蒸发率，足以满足小型农田的灌溉需求。ZOU等 [78] 提出了一种基于太阳能驱动吸湿性水凝胶材料的植物蒸腾和土壤蒸发水回收装置，用于减少土壤水分的蒸发损失。该装置通过吸收太阳能并转化为热能，抑制了土壤表面的水分蒸发，同时将部分水分以蒸气形式重新凝结回土壤。实验表明，使用该装置可以节约44.9%灌溉水，显著提高了灌溉水的利用效率。
▲ 图10 基于3D梯度石墨烯气凝胶的连续脱盐灌溉系统[77]
工业废水通常含有高浓度的污染物（如重金属、有机化合物和盐分），而传统处理方法不仅成本高昂，且效率较低。基于碳基材料的太阳能驱动界面蒸发技术为工业废水处理提供了一种高效、低成本的解决方案 [79] 。ZHONG等 [80] 开发了一种三维碳纳米纤维/氧化石墨烯复合气凝胶，用于处理高盐工业废水。该系统通过光热效应蒸发废水中的水分，同时将盐分结晶并分离。结果表明，在处理NaCl质量分数为24.0%的高盐水和工业废水时，蒸发器表面没有出现盐结晶。YANG等 [25] 设计了一种石墨烯基蒸发器，用于处理含油废水。得益于石墨烯的疏水性和光热性能，该系统能够有效分离油水混合物，并通过太阳能驱动的蒸发过程提取水分。结果表明，该系统在处理含油废水时效率达到90%以上，且油分残留量低于1 mg/L。除了工业废水外，CHANG等 [81] 还开发了一种基于碳基材料的太阳能驱动界面蒸发系统，用于处理医疗废水中的病原体和有机污染物。该系统通过光热效应与光催化作用的协同，能够高效灭活病原体并降解有机污染物。结果表明，该系统对大肠杆菌的灭活率超过99%。
4结语与展望
碳基材料在太阳能驱动界面蒸发技术中展现出显著优势及广泛应用潜力。其优异的光吸收性能（光吸收率通常超过90%）使其能够高效地将太阳能转化为热能。此外，碳基材料的多孔结构与亲水性有助于水分的高效传输与水蒸气的快速逸出，显著提升了蒸发效率。与此同时，其低成本、可持续性及环境友好性使其成为太阳能驱动界面蒸发系统中理想的光热转换材料。这些优势使得碳基材料在海水淡化、污水处理、农业灌溉以及工业废水处理等多个场景展现出广泛的应用前景。尽管如此，碳基材料在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，其长期稳定性较差，在持续光照与高温条件下易发生氧化或结构退化，导致性能衰退；此外，尽管当前系统具有较高的光热转换性能，但整体能量利用效率仍受热损失与蒸发速率的制约；盐分积累亦制约了系统的持续运行，尤其在高盐度环境下；同时，碳基材料的制备成本与规模化生产工艺仍需进一步优化，以降低系统整体成本并加速其大规模推广应用。
在碳减排方面，碳基材料展现出显著的应用潜力。其制备过程通常采用低温碳化或水热合成等环保工艺，所造成的碳排放量远低于传统材料。运行过程中，太阳能驱动界面蒸发技术以太阳能为唯一能量输入，在水处理过程中几乎不产生碳排放。相比传统水处理技术（如反渗透和多效蒸馏），其碳排放量约为后者的5%。此外，该技术还适用于分布式水处理系统，可有效降低长距离输水所带来的能源消耗与碳排放。
未来研究建议聚焦于以下几个方面。（1）开发高性能复合材料，以进一步提升光热转换性能和材料稳定性。例如，利用纳米复合技术将碳基材料与其他功能材料结合。（2）探索智能化系统设计，引入形状记忆材料或光敏材料，以实现材料性能的自反馈调节和系统的远程监控功能。（3）多功能一体化系统的开发将成为研究重点，将太阳能驱动界面蒸发技术与海水淡化、农业灌溉、废水处理及能源回收等多个应用场景耦合，以提高资源利用效率。（4）进一步提升碳基材料在复杂环境条件下的耐久性与可持续性，降低系统运行成本，推动相关技术从实验室研究向实际应用转化。
综上所述，基于碳基材料的太阳能驱动界面蒸发技术在缓解水资源短缺和环境污染问题方面展现出巨大潜力，并可在实现“碳中和”目标过程中发挥重要作用。未来研究应聚焦于突破现有技术瓶颈，开发高性能、低成本的碳基材料，优化系统设计，同时探索其在“碳中和”背景下的多重应用场景，以加速该技术的实际应用与商业化进程。
DOI：10.12434/j.issn.2097-2547.20250066
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