Adv Mater | 文献前沿 | 光热蒸发中分级促进的光收集和管理

【研究背景】

太阳能界面蒸发（SSG）为解决全球水危机提供了一种有前景的方法。SSG的核心是太阳能光热转换，需要高效的光收集和管理。因此，具有多尺度光管理的分层结构对于SSG至关重要。在分子和亚纳米级水平上，材料被微调以实现宽带光吸收。向纳米和微米尺度发展，结构被定制为通过内部反射、散射和各种限制效应来增强光收集。在宏观层面上，通过合理设计的器件几何形状、配置和太阳能吸收器材料的排列来优化光捕获。虽然SSG的性能取决于各种因素，包括热传输、水/空气和材料/水界面处的物理化学相互作用、盐动力学等，但有效的光捕获和利用起着主导作用，因为阳光是唯一的能源。该综述侧重于SSG中不同维度尺度的分层光采集/管理的关键作用，但往往被低估。通过将光管理与结构属性关系相关联，讨论了SSG的最新进展，揭示了该领域当前的挑战以及可能的未来趋势和机遇。

目前，该文以“Hierarchically Promoted Light Harvesting and Management in Photothermal Solar Steam Generation ”为题在《Advanced Materials 》 上发表。 文章通讯作者为香港城市大学Sai Kishore Ravi教授 。

【文章解读】

【文章总结】

该文在太阳能蒸汽发电的光收集和管理领域，战略性地使用分层结构材料至关重要。这些材料是在多个尺度上设计的——从分子到宏观结构层面——以优化光吸收并提高能量转换效率。如前几节所述，在分子/亚纳米级水平上，选择和定制宽带光吸收材料至关重要。通过使用等离子体金属薄膜的杂化物、掺杂杂原子以调节无机半导体的带隙以及工程化共轭有机分子来增强光吸收是一些值得注意的例子。过渡到纳米/微米级，重点是设计能够通过各种光学现象（如反射、散射、限制、捕获和电磁波耦合）实现高效光调节和利用的结构。

在宏观结构层面，通过器件几何形状的战略设计，促进了SSG系统中入射光的有效操纵和优化。这涉及到精心制作太阳能吸收材料的形状、形态和矩阵，以最大限度地捕获、收集和集中光线。在设计这些系统时，考虑材料的构造、分布和具体布置如何影响整体系统性能至关重要。这超越了单纯的光管理，涵盖了一种整体方法，包括热管理、盐管理和系统内水运输的动态等。宏观结构光管理技术的示例包括应用定制的表面涂层以增强光吸收并最大限度地减少能量损失，用容器、细胞或阵列结构设计宏观表面形态以优化光捕获并降低反射率等。这些结构必须协调水传输、热传输和盐管理，以实现高效的光捕获和光热能量转换的总体目标。这需要在各个结构层面采取协同方法，以确保每个组成部分都能有效地提高系统的整体效率。

此外，实现角度无关光收集的策略也显示出提高SSG性能的希望。这些策略再次依赖于分子和亚纳米级操作来定制表面粗糙度并增强光捕获，从而在宽光谱范围内实现有效的光吸收。在材料/分子水平引入的光管理设计有助于吸收入射光，而不管入射角如何。超芯吸微毛细管结构除了在改善器件中水传输方面发挥主要作用外，还有助于多角度光吸收。这些结构减少了对辅助组件的依赖，简化了系统设计，这对不同环境中的实际应用和可靠性至关重要。此外，将太阳光接收表面与水蒸发表面解耦的方法标志着系统设计的重大改进。该策略允许最大限度地利用捕获的太阳能，并优化热管理，与太阳入射角无关。

除了太阳能到热能的转换外，使SSG具有多种光刺激功能的多功能性也成为提高整体光捕获和光谱管理的有前景的途径。这种方法还利用了光活性材料的分层结构和杂交。整合光热和催化过程以促进热光催化是一个值得注意的例子。关键进展还包括在杂化材料中使用过渡金属纳米粒子，其中带间跃迁（IBT）光热途径起着主导作用，这些纳米粒子的光响应性受到其嵌入基质材料选择的显著影响。此外，还可以通过将光热材料与其他光响应子系统相结合来开发SSG串联器件，以最大限度地提高整体太阳能转换效率。这些串联系统的突出例子包括光伏光热发电机和光热SSG与水分解系统的结合。

尽管正在取得进展，但在制定整合多个结构层次和规模的协同光收集策略方面仍面临挑战。通过探索不同结构水平的光物质相互作用并建立结构-性质关系来扩大我们目前的理解对于进一步的进展至关重要。使用实时监测、现场表征和先进的模拟/建模技术将有助于深化这一知识。材料制造技术的最新进展也显著增强了这些分层策略的实际部署。将人工智能（AI）等新兴技术集成到3D打印和其他可编程制造技术中，为经济地大规模构建SSG系统带来了巨大的希望。此外，通过将SSG与其他集水技术杂交，在不同的气候条件下昼夜不停地追求连续的水生产，也是一个有前景但尚未充分探索的方向。整合太阳能吸收材料和储热材料，可以利用太阳能并长时间保持热量，这也是一种可以探索的方法，用于连续生产水，而不会受到太阳能间歇性的实质性影响。将SSG系统的研究扩展到其他领域，如开发能够全向光跟踪的材料/系统和新型储光和储热材料/系统，被视为一条关键的前进道路。

【文献来源】

https://doi.org/10.1002/adma.202406666