利用光子系统，可实现再生能源，为人类创造美好的未来

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«——【·前言·】——»

在最近几十年中，对于太阳能收集的新物理机制的研究，引起了学术界和工业界的越来越多的关注，除了传统的光伏研究领域，热能和化学燃料合成领域出现了新的方向，采用了基于光热、光催化和光电化学电池中，复杂光-物质相互作用的各种新型物理设备。

这项研究在将来的能源技术中具有巨大的潜力，可以实现完全清洁且具有零，或可忽略环境影响的能源技术。

«——【·太阳能海水淡化·】——»

淡水的稀缺被联合国列为“21世纪许多社会和世界所面临的主要问题之一”，太阳能海水淡化被普遍认为是解决这个问题最有希望的技术之一，主要思想是通过适当设计的立体，或平面太阳能吸收体捕获太阳能。

将太阳辐射转化为热能，进而提高水从液态向蒸汽的蒸发速率，通过蒸发，海水或原则上任何水都可以被净化和蒸馏。

使用简单的技术设备和有限的成本可以获得可扩展的淡水量，立体加热，和平面配置之间的主要区别是流体与吸收材料之间的接触面积。

在立体加热中，吸收体是由一个直接浸入液体的立体物体组成，在平面限定表面加热中，吸收结构是由一个二维结构实现的，该结构与液体隔热以最大限度地提高表面的水蒸发速率。

与二维配置相比，立体加热可以减少表面热损失，并被认为在提高未来太阳能海水淡化系统的能量转化效率方面，具有巨大潜力，立体吸收体也会导致未直接照射的液体部分产生能量损失，并且不贡献于蒸汽发生。

而界面蒸发方案可以避免加热整个液体体积而不贡献于蒸汽发生的热能浪费，但需要设计优化的结构以实现高效率。

近年来，这个领域的研究兴趣有了显著增长，提出了许多不同的策略，以实现几乎接近单位效率的水产量。

总结了在不同结构工程化的光-热材料和物理机制方面的最新进展，用于通过增强光吸收、光子-声子转换、热能困闭和水供应管理过程来提高性能。

利用共振的光-物质相互作用，通过增强光到热的转换，纳米等离子体材料广泛应用于太阳能蒸发系统的开发。

当大量光子束照射到金属纳米结构上时，会发生三个主要的物理事件，近场增强，激发热载流子，和光热转换，金属中的电子被高能光子激发从费米能级跃迁到更高能带，这些“热”电子获得的动能通过电子之间的碰撞重新分布，导致金属结构表面附近迅速升温。

热能通过电子-声子碰撞在几个皮秒的特征尺度上迅速传递，然后在几百皮秒时间尺度上通过声子-声子能量松弛过程，在贵金属中，光到热转换过程的效率可以接近单位，这种光到热转换的过程，通常被认为对大多数光电应用来说是不利的。

因为会导致高光学损耗，在太阳能淡化领域，这种现象被发现具有优势，因为它导致光子与水蒸汽之间的高效能量转移过程，优化设计的关键是实现宽带等离子体吸收体，可以通过局部吸收共振来捕捉太阳辐射谱中的大部分能量。

金属纳米颗粒如金或银可以在可见光谱的共振峰附近，相对窄的波段里捕捉太阳能，限制了对全部太阳能的热转换利用，出现了各种成功的技术来通过创建，和操纵复杂的混合模式来拓宽这些窄的等离子体共振。

早在2016年时，有学者通过使用基于铝的三维等离子体结构，实现了一个分层太阳能吸收器，有学者的工作中所呈现的光吸收结构，由随机纳米结构和独立的阳极氧化铝膜组成，每个铝氧化物管的内表面上有沉积的铝纳米颗粒，半径从5 nm到30 nm。

在200 nm到2500 nm波长范围内的高效宽带吸收，是通过不同的物理机制实现的，第一个贡献来自阳极氧化铝膜表面形成的复杂多孔纳米结构，降低了有效折射率并产生了抗反射特性。

第二个效应来自于在多孔Al通道中被困的光，由不同尺寸的Al纳米球构成的密集阵列，它们作为具有不同频率等离子共振的异质金属网络，进一步扩宽了吸收范围，第三个贡献是由铝纳米颗粒的自然氧化引起的，它改变了管道的有效介电常数，将吸收光谱扩展到红外区域。

装置在不同光功率输入条件下的太阳能蒸馏效率的测量方式如下，η=m hLVCoptP0，m 表示质量通量变化率，hLV是液-气相变的焓，Copt是光集中因子，P0是标准照明下的光功率。

基于复杂分层铝结构的太阳能蒸馏装置在四倍太阳照射下，展示了5.7 kg m 2 h 1的淡化速率，相当于88.4%的光热转换率，在一倍太阳照射下，该装置显示出1 kg m 2 h 1的蒸发速率，效率为58%。

通过利用这些物理效应，这种低成本的等离子体太阳能蒸发器，展示了高效率和高热稳定性，最近的研究探索了使用超黑等离子体吸收体的可能性，将可重复使用的金纳米颗粒工程到浮动纸基底上，创造出一个超薄的黑色体表面。

通过在金纳米棒的侧壁上连接一个金纳米球，形成暗的纳米颗粒，并表现出几乎理想的黑体性能，这种特殊的几何形状使得宽带入射电磁能量，在每个二聚体的棒部和球部的组合点积累，无论是偏振还是入射角度。

基于这种特殊黑色体表面的太阳能蒸馏系统，在自然太阳辐照下显示出1.2 kg m 2 h 1的蒸发速率，与基于AAM的太阳能蒸发系统的性能相比，基于黑色体表面的淡化系统在宽带范围内，实现了近乎百分之百的光吸收。

并在2.3倍太阳照射下实现了约90%的太阳-热转换效率，开发了一种纳米颗粒回收过程，包括溶解、冷却和离心的步骤，报告了这种淡化技术的大规模实施的高达98%的回收率，非金属光热介质，包括各种类型的碳化合物、半导体和聚合物。

因其在加工方法、宽带响应和大规模可用性方面的灵活性，而被广泛应用于太阳能驱动的蒸发，通常，平面非金属光子吸收体在可见光频率范围内，无法达到超过95%的宽带吸收值，这是由于材料表面发生明显的反射损耗。

应用复杂的光子纳米结构，被证明是解决光损耗问题的有效方式，同时也可以扩展材料的能力，实现有效的热束缚在孤立的小物质体积内，通过在碳泡沫上放置剥离的石墨，来开发了一个太阳蒸汽发生系统，在200 nm至2500 nm波长范围内，实现97%的太阳光谱吸收。

在一倍和十倍太阳照射条件下，获得65%和85%的太阳蒸汽发生效率，宽带吸收增强归功于在材料表面上，积累剥离的石墨片形成的5 mm厚的复杂微孔特征，这些多尺度复杂结构充当折射率匹配介质，有效地抑制了反射损耗。

2016年，同一研究小组的后续工作报道了一个浮动太阳能蒸发系统，可在自然太阳辐照下产生100 的水蒸气，这种性能是通过将光谱选择性光吸收体，与低热辐射率相结合，并使用复杂的多孔材料网络触发孔内热局部化，抑制热损失通道实现的。

正如最新工作所描述的，碳基水淡化系统更广泛应用的一个主要挑战，是进一步降低设备成本，一个被利用的想法是使用人工炭化木材，这种木材具有低热导率和高吸收率，在自然木材上实施酒精火焰处理后，木材表面形成无序纳米结构。

与纯碳基太阳能收集器相比，碳化木吸收剂和碳化木基复合材料表现出明显更高的性能，进一步的结构失序工程，在提升装置性能方面显示出很大的潜力，由于其对老化的稳定性，非金属材料和半导体材料，被广泛应用于太阳能海水淡化系统中的光吸收体。

通过利用光子产生载流子的非辐射松弛过程，具有适当设计带隙的半导体材料，可以从广泛的光谱频率范围内吸收光子，为光热应用高效产生热能，许多研究工作致力于研究具有窄带隙，和高热稳定性的半导体材料，例如黑色纳米级二氧化钛。

最早报道基于黑Ti2O3纳米颗粒的太阳能蒸发系统，是由别的学者在2017年进行的，作者通过对24小时球磨过程对商用Ti2O3粉末进行了缩小，从而制备出纳米级Ti2O3颗粒，然后将得到的Ti2O3纳米颗粒沉积在纤维素膜上，形成由随机颗粒聚集体组成的双层光热薄膜。

纳米级Ti2O3颗粒在改善光吸收性能是由两个因素引起的，第一个因素是通过球磨制备的颗粒减小了能隙，扩展了光吸收体的光谱吸收窗口，第二个因素是Ti2O3薄膜的复杂表面纳米结构网络，增强了光的散射并抑制了表面反射。

这样的双层太阳能蒸发系统在一倍太阳照射，和五倍太阳照射条件下的蒸发速率，分别为1.32 kg m^ 2 h^ 1和5.03 kg m^ 2 h^ 1，除了平面结构，近年来的研究团队还探索了基于三维结构的体积型光吸收体。

2018年，有学者设计并实现了一个，由两部分组成的三维杯状太阳能驱动海水淡化系统，一层薄膜式三金属铁氧体氧载体，和一层负载着颜料的石英玻璃纤维复合滤膜，这种配置在杯腔内支持光多次反射。

并有效抑制了由扩散反射，和吸收体壁的辐射热损失代表的能量损失通道，具有3D-PQC壁结构的太阳能海水淡化系统，在一倍太阳照射条件下可使废水净化速率达到2.04 kg m^ 2 h^ 1，比没有3D-PQC壁结构的系统高两倍。

其他类似研究利用三维锥形光热结构实现，通过在控制表面多孔结构的聚偏二氟乙烯薄膜上，沉积吸收有机聚吡咯聚合物，由于光在锥体内多次反射，这种太阳能蒸发器在整个太阳光谱范围内的平均吸收率达到99.2%。

在一倍太阳照射条件下，蒸汽产生率为1.70 kg m^ 2 h^ 1,太阳-热转换效率为93.8%，与平面控制组相比，这种三维体积设计通过增强多次反射来有效增加光吸收，同时防止对流过程产生的热损失。

而聚合物水凝胶是在最近被提出作为一种新型的非金属平台，可以将光吸收、热约束、热流和水供应管理等，必要的太阳能海水淡化功能整合到一个设备结构中，有学者的研究利用分级纳米结构水凝胶，实现高效的太阳能蒸汽发生系统。

典型的HNG单元块具有分级分布的内部间隙，由聚吡咯亲水聚合物网络形成微米级通道和分子网格，通过用聚吡咯等光活性聚合物覆盖这种复杂的聚合物骨架，HNG样品在整个太阳光谱范围内，表现出接近于完全吸收的特性。

在这种结构中，光产生的热能直接传递给存储在每个微米级网孔中的水，避免了热约束区域和较大水体之间的热交换，通过毛细管泵浦实现的快速水扩散和补给，基于HNG的蒸发器设备在一倍太阳照射条件下，可以持续产生3.2 kg m^ 2 h^ 1的蒸汽。

当超过了在标准蒸发条件下，计算的一倍太阳照射条件，1.65 kg m^ 2 h^ 1的传统理论极限，同一研究小组在2019年进一步将半导体纳米颗粒，纳入海绵状水凝胶基质中，提高了在一倍太阳照射条件下的太阳能能量约束过程。

实现了3.6 kg m^ 2 h^ 1的太阳能海水淡化速率，和90%的利用效率，2019年，有学者还报告了一种类似的海绵状气凝胶，由随机聚集的中空碳纳米管构成，在一倍太阳照射条件下实现了99%的宽带太阳吸收，和86.8%的太阳-热转换效率。

质量蒸发速率为1.5 kg·m^ 2·h^ 1，由于其具有低材料填充比，和轻重量的可控结构孔隙度，水凝胶复合材料是一类用于高效太阳能水处理的有吸引力的材料平台。

«——【·结论·】——»

对复杂系统在热海水淡化、等离子体光化学和光电化学反应中，改善不同类型光能转化过程效率的最新进展进行了综述，在经过适当设计的光学纳米结构中，发生的复杂光-物质相互作用系统被系统地报道，以促进宽带吸收、增强载流子提取并显著提高整体能量转化效率。

利用等离子体热载流子的应用，在光化学反应中显示出显著改进，利用不同的几何形状和不同程度的无序性，有助于推动载流子在短寿命时间内的注入，在等级组装等离子体材料中观察到的等离子体共振可调节性，已被证明可以降低多路径化学反应的活化能，控制产物选择过程。