向嬌嬌 樊莎 高達利 姜超 朱海霖 劉國金

摘 要： 光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)可將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，是提升資源利用率、實現(xiàn)能源利用可持續(xù)發(fā)展的有效途徑；碳基材料具有優(yōu)異的寬光吸收性能和高的光熱轉(zhuǎn)換效率，是太陽能光熱轉(zhuǎn)換用的核心材料。該文系統(tǒng)綜述了光熱轉(zhuǎn)換用碳基材料的研究進展，概述了光熱轉(zhuǎn)換的基本原理和碳基材料的分類，總結(jié)了光熱轉(zhuǎn)換用碳基材料的制備方法，分析了光熱轉(zhuǎn)換用碳基材料在海水淡化、廢水凈化、光熱除冰、光熱治療和熱能存儲等領(lǐng)域的應(yīng)用進展，并對光熱轉(zhuǎn)換用碳基材料的研究方向作出展望。

關(guān)鍵詞： 太陽能；光熱轉(zhuǎn)換；碳基材料；制備方法；應(yīng)用進展；綜述

中圖分類號： TM914.4

文獻標志碼： A

文章編號： 1673-3851 （2023） 01-0033-10

引文格式：向嬌嬌，樊莎，高達利，等. 光熱轉(zhuǎn)換用碳基材料的制備及應(yīng)用進展［J］. 浙江理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2023，49（1）：33-42.

Reference Format： XIANG? Jiaojiao，F(xiàn)AN? Sha，GAO? Dali， et al. Progress in preparation and application of carbon-based materials for photothermal conversion［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（1）：33-42.

Progress in preparation and application of carbon-based materials for

photothermal conversion

XIANG? Jiaojiao1，F(xiàn)AN? Sha1，GAO? Dali2，JIANG? Chao2，ZHU? Hailin1，LIU? Guojin1

（1.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Fiber Materials and Manufacturing Technology， Zhejiang

Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China; 2.SINOPEC （Beijing） Research Institute of Chemical

Industry Co.， Ltd.， Beijing 122000， China）

Abstract：? Photothermal conversion technology that can convert solar energy into heat energy is an effective way to improve resource utilization and realize sustainable development. Carbon-based materials have become the core materials for solar photothermal conversion because of their excellent wide light absorption and high photothermal conversion efficiency. In this paper， the development of carbon-based materials for photothermal conversion is reviewed， the basic principle of photothermal conversion and the classification of carbon-based materials are briefly described， the preparation methods of carbon-based materials for photothermal conversion are emphatically introduced， then the applications of carbon-materials for photothermal conversion in aspects of seawater desalination， wastewater purification photothermal deicing， photothermal therapy and thermal energy storage are depicted in details， and finally the prospects of carbon-materials for photothermal conversion in research direction are given.

Key words： solar energy; photothermal conversion; carbon-based materials; preparation methods; application progress; review

0 引 言

能源與水是全球可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)［1-2］。然而，隨著社會的快速發(fā)展，人類對水資源尤其是淡水資源的需求不斷增加。利用燃煤、石油和天然氣等化石能源產(chǎn)生的熱能對海水進行淡化以及對廢水進行凈化處理，是獲取淡水資源的有效途徑。傳統(tǒng)化石資源不可再生，在使用過程中還會造成一定的環(huán)境污染［3-5］，已無法滿足社會可持續(xù)發(fā)展的要求，尋求可再生能源代替化石能源來獲取淡水資源具有重要的現(xiàn)實意義。

太陽能作為一種可再生且無污染的能源，儲量豐富、綠色安全，被公認為未來最具競爭力的能源之一。由于具有較高的能源轉(zhuǎn)換效率，利用太陽能轉(zhuǎn)換為熱能的方式已成為緩解化石能源危機、淡水資源短缺等問題的有效方法之一［6-8］。研制在200～2500 nm波長范圍內(nèi)具有寬光吸收性能和優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換性能的材料，是實現(xiàn)高效光熱轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。

碳基材料主要是指以碳為主體的材料，具有優(yōu)異的光熱效應(yīng)、高吸光度和低發(fā)射度特性，在光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛力，成為一種性能優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換材料［9］。由于還具有來源廣泛、價格低廉等特征，碳基材料受到了太陽能光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域研究者們的密切關(guān)注。目前碳基材料作為太陽能吸收的熱定位層，在海水淡化、廢水凈化、光熱除冰和光熱治療等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景［10-12］。碳基材料與其他材料，如聚合物材料、半導(dǎo)體材料或金屬材料復(fù)合時，可以提高碳基材料的吸收光譜與太陽光譜的匹配度，實現(xiàn)更高的光熱轉(zhuǎn)換效率［13］。

本文在介紹碳基材料光熱轉(zhuǎn)換基本原理的基礎(chǔ)上，將碳基材料分為天然植物衍生的碳基材料和人造碳基材料2大類，介紹了光熱轉(zhuǎn)換用碳基材料的制備方法及在海水淡化、廢水處理、光熱除冰和光熱治療等領(lǐng)域的研究進展，并對光熱轉(zhuǎn)換用碳基材料存在的問題進行了探討，將為碳基材料的研究與應(yīng)用提供參考。

1 光熱轉(zhuǎn)換基本原理及碳基材料概述

1.1 光熱轉(zhuǎn)換基本原理

光熱轉(zhuǎn)換材料是一類將吸收的太陽能轉(zhuǎn)換為熱能的材料。與金屬材料的局部等離子體表面效應(yīng)［14］和半導(dǎo)體的帶隙機理［15］不同，碳基材料是在太陽光照射下產(chǎn)生晶格振動，將吸收的太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，從而實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換［16］。碳基材料由混合鍵組成，其中π鍵的電子鍵結(jié)合強度通常弱于σ鍵。因此，經(jīng)過較低的太陽能輻射就可以激發(fā)電子從π軌道躍遷至π*軌道［17］（見圖1）。當(dāng)被激發(fā)電子恢復(fù)到原來的狀態(tài)時，吸收的光能從激發(fā)電子轉(zhuǎn)移到整個晶格的振動，引起材料表面溫度上升，熱量傳遞至周圍環(huán)境，形成光熱效應(yīng)［18］。

1.2 碳基材料的分類

碳基材料可吸收全光譜范圍（200～2500 nm）內(nèi)的太陽光，具有高太陽能吸收率、優(yōu)異的結(jié)構(gòu)可調(diào)性和可加工性，在光熱轉(zhuǎn)換過程中表現(xiàn)出競爭優(yōu)勢。碳基材料可被設(shè)計出光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所需的各種結(jié)構(gòu)［19］。根據(jù)材料的來源，碳基材料可分為天然植物衍生的碳基材料和人造碳基材料兩大類。兩類碳基材料均呈現(xiàn)黑色，在光照射下，太陽光經(jīng)碳基材料內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的散射與反射后轉(zhuǎn)換為熱能，由此獲得優(yōu)異的太陽能吸收性能。天然植物衍生的碳基材料在光熱轉(zhuǎn)換過程中易受外界環(huán)境的影響，人造碳基材料的隔熱能力相對普通，限制了其應(yīng)用范圍。

1.2.1 天然植物衍生的碳基材料

天然植物的吸水和蒸騰行為，來源于纖維具有的多孔通道輸水結(jié)構(gòu)和低導(dǎo)熱性。這種行為與利用太陽能進行光熱轉(zhuǎn)換時的吸水機制和蒸發(fā)機制是相匹配的。因此，天然植物衍生的碳基材料（碳化蘑菇［20］、碳化向日葵［21］等）可作為光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中有力的候選者［22］。Xue等［23］發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過簡單火焰處理得到的天然木材（Flame-treated wood，F(xiàn)-wood）具有超高的太陽能吸收率，內(nèi)部孔道將水分輸送到受熱面，使木材表面產(chǎn)生高溫蒸汽，實現(xiàn)了78%的光熱轉(zhuǎn)換效率（見圖2（a））。在此基礎(chǔ)上，Chen等［24］通過在木材表面沉積磷酸鋁（Aluminum phosphate，AlP）化合物，構(gòu)建了一種雙層多孔結(jié)構(gòu)的光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（Wood@AlP）。該雙層結(jié)構(gòu)中的AlP化合物可以加速木材表面碳層的形成，同時獲得具有分級多孔結(jié)構(gòu)的磷酸鋁層，有利于太陽能光的吸收和蒸汽的逸散。在1 kW/m2光照條件下可實現(xiàn)90.8%的太陽能轉(zhuǎn)換效率，遠高于簡單火焰處理得到的木材光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（見圖2（b））。

1.2.2 人造碳基材料

人造碳基材料種類豐富，理化性質(zhì)穩(wěn)定，帶隙間的能級躍遷和π結(jié)構(gòu)使其材料對太陽光可以產(chǎn)生全光譜范圍內(nèi)的吸收，表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力。

1.2.2.1 石墨烯族

石墨烯是一種由sp2雜化的碳原子相互連接排列成的二維蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)單層材料，具有高孔隙率、高表面積、高光吸收性以及高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在太陽光譜范圍（200～2500 nm）內(nèi)可達到97%以上的光吸收率，被認為是很有前途的光熱轉(zhuǎn)換材料之一［25-27］。目前基于石墨烯衍生出的氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）［28］、還原氧化石墨烯（Reduced graphene oxide，RGO）［29］或石墨烯基氣凝膠［30］，因?qū)捁馕招阅芎透叩墓鉄徂D(zhuǎn)換效率被相繼開發(fā)，用于實現(xiàn)太陽能到熱能的轉(zhuǎn)換。

1.2.2.2 碳納米管

碳納米管（Carbon nanotubes，CNTs）是石墨烯片層卷曲而成的一維納米管狀材料，主要是由碳原子呈六角形排列構(gòu)成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、重量輕、柔韌性好，具有良好的力學(xué)性能［31］。CNTs中的共軛結(jié)構(gòu)使其在可見光和近紅外區(qū)域具有很強的吸收能力，可作為將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能的光吸收層［32］。垂直排列的極黑CNTs可表現(xiàn)出類似黑體的光學(xué)行為，在200～2000 nm波長范圍內(nèi)對太陽能光的吸收率可達98%～99%，具有極低的反射率和優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力［33］。CNTs中不規(guī)則和粗糙的微觀結(jié)構(gòu)使其很容易被改性成功能化CNTs。當(dāng)CNTs與多孔結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯（Polystyrene，PS）泡沫等基底材料相結(jié)合時，在惡劣的條件下也表現(xiàn)出高的光熱轉(zhuǎn)換效率［34］。

1.2.2.3 無定形碳

無定形碳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是具有石墨烯一樣結(jié)構(gòu)的晶體，但晶體中碳原子組成的六角形平面層狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)零亂且不規(guī)則的形狀，因此是一種近似非晶態(tài)的碳材料。無定形碳具有優(yōu)異的光吸收能力和高的光熱轉(zhuǎn)換效率，且價格低廉、穩(wěn)定性高、比表面積大。炭黑（Carbon black，CB）是無定形碳中的典型代表，在太陽光譜范圍內(nèi)具有超過99%的吸收率，表現(xiàn)出優(yōu)異的寬帶吸收和低導(dǎo)熱性，可作為光吸收層的一種理想碳基材料［35-36］。除了CB外，活性炭（Activated carbon，AC）等［37］無定形碳材料在太陽光照射下也可以實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換。

1.2.2.4 碳纖維

碳纖維（Carbon fibre，CF）是人造碳基材料中另一種具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換能力的材料，石墨微晶結(jié)構(gòu)沿纖維軸的擇優(yōu)取向特性賦予CF高機械強度和熱穩(wěn)定性。此外，CF還具有可編織結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的耐化學(xué)性、重量輕和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，CF在200～2500 nm光譜范圍內(nèi)具有寬光吸收能力和光熱轉(zhuǎn)換性能，在光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域表現(xiàn)出極大應(yīng)用潛力［38］。

1.2.2.5 碳復(fù)合材料

碳基材料由于成本低、優(yōu)異的導(dǎo)熱性、較大的比表面積和良好的光熱轉(zhuǎn)換能力，通常與其他材料混合，通過互補和協(xié)同作用獲得光學(xué)性質(zhì)更優(yōu)異的碳復(fù)合材料［39-40］。碳復(fù)合材料不僅可以滿足光熱利用過程中的需求，如保持一定的隔熱性能，還可以提高與太陽光譜的匹配度，增強材料的光熱穩(wěn)定性，實現(xiàn)更高的光熱轉(zhuǎn)換效率。Jin等［41］通過在原位培養(yǎng)的細菌纖維素（Bacterial cellulose，BC）上附著CNT和RGO的混合物，制備出一種多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的光熱復(fù)合膜（CNT-RGO@BC），其中BC作為載體提供了活性位點，可以使CNT和RGO均勻分布在其表面，形成優(yōu)良的光熱層（見圖3）。該光熱膜具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性，在250～2000 nm波長范圍內(nèi)對太陽光的吸收率高達99.83%超過99%，遠高于純BC、RGO@BC和CNT@BC的光吸收率。

綜上所述，碳基材料可成為光熱轉(zhuǎn)換材料的候選者，除了具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)和較大的表面積外，在全光譜范圍內(nèi)表面出優(yōu)異的寬光吸收性能和穩(wěn)定的光熱轉(zhuǎn)換能力，易與其他材料相結(jié)合，達到更高的光熱轉(zhuǎn)換效率。碳基材料在未來太陽能光熱利用方面表現(xiàn)出重要的應(yīng)用價值。

2 光熱轉(zhuǎn)換用碳基材料的制備方法

目前，光熱轉(zhuǎn)換用碳基材料的制備方法根據(jù)是否需要基底材料可分為紡絲法與沉積法兩大類。

2.1 紡絲法

靜電紡絲法是膜制備中一種常用方法，通過將碳基材料與其他材料復(fù)合配制成紡絲原液，可以制備出具有光熱效應(yīng)的電紡膜［42］。電紡膜中的孔隙由多層微米和納米級纖維相互交織而成，能夠有效減少熱量損失，提高光熱轉(zhuǎn)換效率，并可以通過改變紡絲原液成分、電場強度等條件來調(diào)節(jié)電紡膜的孔隙結(jié)構(gòu)。Fan等［43］將RGO、GO分別與聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）納米纖維混合制備成前驅(qū)體溶液，電紡成一種用于太陽能驅(qū)動水蒸發(fā)的光熱膜（RGO/PAN）。膜中纖維分布良好，孔隙結(jié)構(gòu)豐富（見圖4）。RGO和GO具有優(yōu)異的寬光吸收能力和多孔結(jié)構(gòu)，使RGO/PAN膜和GO/PAN膜在350～2500 nm波長范圍內(nèi)都表現(xiàn)出較高的吸光度；RGO/PAN膜的黑度更高，能夠減少反射光，光吸收率可達80%以上，優(yōu)于GO/PAN膜，純PAN膜在同一區(qū)域的吸光度僅小于20%［43］。因此，高光吸收能力的RGO/PAN膜可被稱為光熱膜。將RGO/PAN膜放置在PS泡沫制成的隔熱層上時，在1 kW/m2光照條件下具有89.4%的光熱轉(zhuǎn)換效率和1.46 kg/（m2·h）的水蒸發(fā)速率［43］。

2.2 沉積法

沉積法是將碳基材料與液體溶劑混合配置成均勻的分散液，分散液以不同的方式附著在基底材料的表面或內(nèi)部，從而得到具有光熱效應(yīng)的材料。其中基底材料應(yīng)具備良好的隔熱性能和多孔結(jié)構(gòu)，與光熱轉(zhuǎn)換材料之間黏合性強，保證在光熱轉(zhuǎn)換過程的長期穩(wěn)定性。沉積法主要有原位沉積、浸漬、噴涂和抽濾4種方式。

2.2.1 原位沉積方式

原位沉積方式是指將含碳元素的材料溶于液體介質(zhì)配成前驅(qū)體溶液后，與基底材料一起放入反應(yīng)釜中，前驅(qū)體在一定溫度下轉(zhuǎn)變成相應(yīng)光熱材料附著在基底材料表面［44］。Li等［45］以不同濃度葡萄糖溶液為前驅(qū)體，在CF表面原位沉積多尺度碳層，將極性官能團羧基（—COOH）和羥基（—OH）負載到CF表面，使得改性后的CF具有優(yōu)異的潤濕性和高極性表面能，且增加的碳化涂層提高了光吸收能力（見圖5）。當(dāng)葡萄糖溶液的質(zhì)量分數(shù)為0.3%時，經(jīng)過原位沉積后的CF在光照強度為1 kW/m2下可實現(xiàn)1.47 kg/（m2·h）的水蒸發(fā)速率和92.5%的蒸汽產(chǎn)生效率［45］。原位沉積方式操作簡單，可將含有碳元素的材料于高溫碳化形成具有光熱效應(yīng)的材料，增加了光熱轉(zhuǎn)換材料的選擇范圍，但前驅(qū)體濃度、反應(yīng)時間及溫度會對所制備的光熱轉(zhuǎn)換材料的形貌、厚度及大小等產(chǎn)生重要影響，進而影響寬光吸收性能和光熱轉(zhuǎn)換性能。

2.2.2 浸漬方式

浸漬方式是沉積法中制備光熱轉(zhuǎn)換用碳基材料的常用方法之一。采用該方式，首先需要將碳基材料溶于適當(dāng)?shù)娜軇┲信渲镁鶆蚍稚⒁?，然后將基底材料完全浸沒于分散液中，通過超聲、重力等外在條件，使光熱轉(zhuǎn)換材料以化學(xué)吸附或物理吸附等吸附機理均勻地分布于基體表面或者內(nèi)部［46］。Cong等［47］利用無紡布包裹的PS泡沫作為基底材料，通過浸漬方式制備出一種負載了改性CB納米顆粒的自浮動太陽能蒸發(fā)器。該蒸發(fā)器在1 kW/m2光強下可達78.7%的太陽能蒸發(fā)效率和1.27 kg/（m2·h）的水分蒸發(fā)速率。浸漬方式的過程簡單，對設(shè)備要求不高，但耗時長、效率低，難以制備出大面積的光熱轉(zhuǎn)換材料，距離工業(yè)化生產(chǎn)還有較長的路程。

2.2.3 噴涂方式

噴涂作為一種簡單且可以大規(guī)模生產(chǎn)的方式，可以將碳基材料分散液通過噴槍噴涂在基底材料上制備出優(yōu)異性能的光熱吸收層。Li等［48］將CNTs和聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）的分散液均勻噴涂在三聚氰胺海綿表面上，制備出一種具有光熱轉(zhuǎn)換能力的太陽能蒸發(fā)器。CNTs的高吸光度使蒸發(fā)器在200～2500 nm范圍內(nèi)的吸收率高達99%；在1 kW/m2光照條件下，蒸發(fā)器的表面溫度在30 s內(nèi)從18.7 ℃迅速升高至96.0 ℃（見圖6（a））。CNTs與海綿能夠穩(wěn)定結(jié)合是由于PDMS優(yōu)異的黏合性。此外，經(jīng)過CNTs修飾后的三聚氰胺海綿，吸光性和光熱轉(zhuǎn)換性能也會得到顯著提升（見圖6（b））。然而，噴涂方式易受噴槍與分散液間適配性的影響，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還需要進一步深入研究。

2.2.4 抽濾方式

抽濾方式是將碳基材料均勻分散在液體介質(zhì)中，在真空環(huán)境條件下將上述分散液沉積在基底表面得到具有光熱轉(zhuǎn)換能力的材料的過程，該方法操作簡單，但要求基底材料的孔徑尺寸小于光熱材料尺寸，光熱轉(zhuǎn)換材料每次只能附著在基底某一側(cè)［49］。Liu等［50］選取直徑為0.50～2.50 μm的CB，以不同比例與聚乙烯亞胺（Polyethyleneimine，PEI）、BC進行混合，在真空環(huán)境下利用抽濾的方式將分散液沉積在孔徑約為0.22 μm的聚偏氟乙烯（Polyvinylidene fluoride，PVDF）膜表面，制備出一種穩(wěn)定且柔韌的光熱復(fù)合膜；當(dāng)CA和PEI含量分別為0.04 kg/m2和0.48 kg/m2時，光熱復(fù)合膜的光吸收能力和光熱轉(zhuǎn)換能力優(yōu)異，在1 kW/m2的光照強度下可實現(xiàn)85%的能量轉(zhuǎn)換效率和1.23 kg/（m2·h）的水蒸發(fā)速率（見圖7）。

3 光熱轉(zhuǎn)換用碳基材料的應(yīng)用進展

3.1 海水淡化

碳基材料因具備優(yōu)良的寬帶光吸收性能、光熱轉(zhuǎn)換性能、大的比表面積的優(yōu)點，成為太陽能光熱利用的最佳材料之一，在海水淡化領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景［51］。在海水淡化過程時，碳基材料通常與其他材料相結(jié)合，獲得具有更優(yōu)異的隔熱性能和水傳輸能力的復(fù)合光熱轉(zhuǎn)換材料［52］。Shen等［53］以噴涂的方式將CNTs和聚乙烯吡絡(luò)烷酮（Polyvinylpyrrolidone，PVP）分散液沉積在濾紙上，獲得了具有超疏水性的機械穩(wěn)定光熱膜（S-CPM）；在測試海水淡化能力時，S-CPM以PSt泡沫作為支撐層和隔熱層，在連續(xù)運行和反復(fù)蒸發(fā)循環(huán)后未觀察到鹽分的累積，且還能夠長時間保持高吸光度。Xiong等［54］以RGO為光熱材料，與超長羥基磷灰石納米線（Hydroxyapatite nanowires，HNs）混合后制備出高太陽光吸收和高光熱轉(zhuǎn)換效率的柔性多孔光熱紙（RGO/HN）；其中RGO/HN-Ⅰ在光照強度為1 kW/m2照射下的水分蒸發(fā)速率和能量轉(zhuǎn)換效率分別高達1.48 kg/（m2·h）和89%，在海水淡化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景（見圖8）。Zhang等［55］開發(fā)了一種以疏水和多孔CF納米膜作為光吸收層的太陽能海水淡化系統(tǒng)。在海水淡化實驗中，由于CF納米膜具有優(yōu)異的疏水性，可以防止海水在膜內(nèi)擴散，確保了蒸發(fā)過程中的高脫鹽性能，冷凝水中Na+等離子濃度較對照降低了約1～3數(shù)量級。

3.2 廢水凈化

利用太陽能轉(zhuǎn)換為熱能是一種方便且高效的含油廢水凈化方法［56］。由碳基材料形成的光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)因具有超親油性和超疏水性，可在太陽光照射下起到油水分離的作用；此外，內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)能吸附各種油類，油體黏度會隨著溫度的上升逐漸下降。碳基材料具有的光熱轉(zhuǎn)換能力能夠降低油的黏度，可以有效緩解石油泄漏帶來的水資源污染［57］。Chabot等［58］將RGO通過浸漬方式牢固地沉積在聚合物泡沫上，當(dāng)暴露于光照下，泡沫復(fù)合材料表面溫度迅速升高，油體黏度顯著降低，從而高效凈化原油。Guo等［59］將光熱材料碳納米纖維（Carbon nanofibers，CNFs）負載在多孔結(jié)構(gòu)的PDMS泡沫上，制備出具有高性能油水分離的超疏水/超親油的泡沫復(fù)合材料（PDMS/CNFs-T）。在模擬含油廢水實驗中，當(dāng)油接觸泡沫復(fù)合材料時，油被迅速吸收后擴散至泡沫內(nèi)部，由于泡沫復(fù)合材料優(yōu)異的超疏水性和防水性能，水被排斥在泡沫外，乳液逐漸變得透明（見圖9（a））。在模擬陽光照射下，PDMS/CNFs-T材料將吸收的光能轉(zhuǎn)換為熱能，傳遞到下面的原油中，降低了油黏度，且除油率可達90%（見圖9（b））。

3.3 光熱除冰

利用碳基材料的黑體特性和微納分級結(jié)構(gòu)制備出具有高光熱轉(zhuǎn)換效率和超疏水性能的光熱轉(zhuǎn)換材料，可用于光熱除冰［60］。Jiang等［61］通過噴涂方法制備了具有光熱除冰性能的超疏水SiC/CNTs涂層，涂層的表面溫度在近紅外光（808 nm）連續(xù)照射下迅速升高，熱量傳遞至周圍環(huán)境，使冰固界面處的水滴融化，達到了高效的除冰效果（見圖10）。李回歸等［62］制備出一種CB/PDMS光熱超疏水涂層，涂層中CB將吸收的太陽能轉(zhuǎn)為熱能，使涂層表面的冰在太陽光的照射下迅速融化。Xie等［63］報道了一種具有相互連接通道和表面超疏水的輕質(zhì)聚乙烯/GO納米片泡沫，該泡沫經(jīng)短時間的太陽光照射后，冷凍水滴從開始的凍結(jié)狀態(tài)到完全融化只需20 s，融化過程中該泡沫仍保持著超疏水性能。結(jié)果表明均勻分散的GO納米片與微納米結(jié)構(gòu)的聚乙烯泡沫協(xié)同作用有效提高了光熱性能與除冰效率。

3.4 光熱治療

碳基材料作為一類豐富多樣、價格低廉、生物相容性優(yōu)良的光熱轉(zhuǎn)換材料，在近紅外（808 nm）照射下可吸收光子的能量并將其轉(zhuǎn)換為熱能導(dǎo)致癌細胞死亡，不對周圍健康組織造成傷害，已成為一類新的光熱治療材料［64-66］。Tondro等［67］報道了一種由CNTs和聚吡絡(luò)（Polypyryl，PPy）構(gòu)成的光熱治療材料（CNTs@PPy），可用于處理銅綠假單細胞菌，在808 nm激光照射下，CNTs@PPy將光能轉(zhuǎn)換為熱能，引起銅綠假單細胞菌溫度升高，產(chǎn)生活性氧；而活性氧會破壞培養(yǎng)基中銅綠假單細胞的細胞膜，導(dǎo)致細菌的存活率下降（圖12（a））。因此，CNTs@PPy具有優(yōu)異的光熱殺菌能力。Wu等［68］將釓二胺（Gadolinium diamine，Gd）負載到活性炭納米顆粒（Activated carbon nanoparticles，ANs）上，用PVP包封后獲得光熱治療材料Gd@PANs，具有過氧化物酶模擬納米酶活性和較好的光吸收效果。Gd@PANs可在近紅外光活化協(xié)同光熱化學(xué)動力學(xué)進行癌癥治療，催化內(nèi)源性H2O2的分解，在癌細胞內(nèi)產(chǎn)生有毒的氧化羥基自由基（·OH），破壞癌細胞結(jié)構(gòu)（見圖11），·OH對正常細胞沒有毒性，確保了該材料高效的光熱治療功能。

3.5 熱能存儲

相變材料（Phase change materials，PCMs）作為一種潛熱蓄熱材料，可將太陽能轉(zhuǎn)換的熱能在幾乎恒定的溫度下儲存，在一定溫度下可控釋放，在太陽能光熱能利用中發(fā)揮著重要作用。碳基材料能將吸收的太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，當(dāng)與具有優(yōu)異儲熱性能的PCMs結(jié)合時，可以實現(xiàn)更有效的熱能儲存，擴大了太陽能光熱的利用范圍［69］。Maleki等［70］在分布良好的CNT的高度多孔泡沫中滲入石蠟，開發(fā)出具有光熱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的復(fù)合相變材料，該復(fù)合材料表現(xiàn)出119.3 J/g的高潛熱和90%的高光熱轉(zhuǎn)換效率。Li等［71］報道了一種具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換和儲熱能力復(fù)合相變材料，其中PM18梳狀聚合物作為相變材料，RGO-CNTs混合氣凝膠作為支撐基質(zhì)。Sun等［72］通過將正二十二烷作為PCMs封裝在二氧化硅殼中，在殼表面沉積聚多巴胺（Polydopamine，PDA）涂層，通過黏合作用將CNTs附著在PDA層上，成功制備具有層次結(jié)構(gòu)的新型相變微膠囊系統(tǒng)，用于提高太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率和光熱儲能能力。微膠囊系統(tǒng)不僅具有良好的潛熱蓄熱能力，相變焓超過130 J/g，且具有90%的最佳光熱轉(zhuǎn)換效率，可廣泛應(yīng)用于太陽能光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。

4 結(jié) 語

碳基材料在200～2500 nm內(nèi)具有高光吸收率和優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，且成本低廉、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在太陽能光熱利用方面具有極大的應(yīng)用潛力。隨著對碳基光熱材料研究的逐漸深入，越來越多的碳基材料被應(yīng)用于制備光熱轉(zhuǎn)換材料，制備工藝也在不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，但仍存在許多需要改進的地方：

a）碳基材料已經(jīng)滿足了在全光譜范圍內(nèi)具有寬光吸收性能和高光熱轉(zhuǎn)換能力，但在后續(xù)的研究中可以通過結(jié)構(gòu)和表面的優(yōu)化，以減少碳基材料表面的光反射，從而提升材料的太陽能吸收能力。

b）對于碳基材料在光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究，目前還局限在實驗室的模擬環(huán)境中，與實際應(yīng)用之間仍存在較大的差距，如在海水淡化領(lǐng)域中，需要克服暴雨、大風(fēng)等外界氣候條件的影響。因此，在實際應(yīng)用環(huán)境下考察碳基材料的光熱轉(zhuǎn)換效率，將是推動碳基材料實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用必不可少的途徑。

c）在太陽能光熱利用過程中，提高碳基材料的太陽能捕集能力、傳熱效率及儲熱能力是其在產(chǎn)業(yè)化道路上所面臨的技術(shù)難點。

以上問題若是能夠得到解決，有望進一步推廣光熱轉(zhuǎn)換用碳基材料的應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯：廖乾生）

收稿日期： 2022-04-26? 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2022-07-08網(wǎng)絡(luò)出版日期

基金項目： 國家重點研發(fā)計劃“高端功能與智能材料”重點專項項目（2021YFB3801500）

作者簡介： 向嬌嬌（1998- ），女，重慶開州人，碩士研究生，主要從事碳基材料制備與應(yīng)用方面的研究。

通信作者： 劉國金，E-mail： guojin900618@163.com