太陽能光熱水蒸發(fā)是解決水資源短缺的一項有前途的、綠色可持續(xù)的技術(shù)。然而，在自然蒸發(fā)條件下，由于水對太陽光的吸收極小，太陽光的利用效率極為低下。目前，光熱轉(zhuǎn)換材料相繼被開發(fā)應(yīng)用到太陽能水蒸發(fā)中以提升其效率。由于具有獨特的形態(tài)學(xué)和物理化學(xué)性質(zhì)，包括較大的表面積、量子限制效應(yīng)和低毒性等，二維材料在光熱轉(zhuǎn)換應(yīng)用中展示了巨大的潛力。實際上，大多數(shù)二維材料已經(jīng)被研究用于光熱治療，主要是它們僅對近紅外照射有響應(yīng)，對寬光譜范圍不響應(yīng)。而對全太陽光譜的強吸收是太陽能光熱蒸發(fā)的理想特性。為此，研究人員采取了一系列增強吸收的策略，如合金化，等離子體和缺陷調(diào)制等。然而，復(fù)雜的制備工藝、材料合成周期長以及材料循環(huán)使用性低，使其面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，探索一種具有自增強太陽能吸收的理想候選二維材料是實現(xiàn)高效產(chǎn)生水蒸汽的關(guān)鍵。

暨南大學(xué)段宣明團隊杜純博士和中山大學(xué)楊國偉教授等人提出了一種由拓撲表面態(tài)（TSS）誘導(dǎo)的自增強光熱轉(zhuǎn)換促進太陽能水蒸汽產(chǎn)生策略。采用液體剝離法將少層WTe₂制備成光熱材料，而后沉積在混合纖維素酯（MCE）上作為光熱轉(zhuǎn)換器。由于半金屬TSS的獨特特性，二維WTe₂具有較高的光吸收能力、低熱擴散率、比熱容和高載流子密度。與預(yù)期的一樣，WTe₂ @MCE的光熱轉(zhuǎn)換器在1個陽光照射下的光熱蒸發(fā)率為1.09 kg/m²/h，分別比MCE（0.18 kg/m²/h）和純水（0.35kg/m²/h）高出了6.1倍和3.1倍。更重要的是，它遠遠高于商業(yè)超藍色涂層（0.74 kg/m²/h），實現(xiàn)了74.8%的高效太陽能蒸汽產(chǎn)生效率，預(yù)示著巨大的商業(yè)應(yīng)用潛力。結(jié)合第一性原理密度泛函理論和是否具有TSS的二維WTe₂光熱轉(zhuǎn)換實驗，有力證明了二維WTe₂中TSS有利于增強光吸收，且量子約束效應(yīng)可以最大限度地促進電子和聲子的相互作用，從而產(chǎn)生巨大的光熱效應(yīng)。此外，還進行了機理探究，表明了具有TSS的二維Weyl半金屬WTe₂通過多途徑發(fā)射光熱轉(zhuǎn)換的機制實現(xiàn)高效的光熱轉(zhuǎn)換性能。本工作為TSS在高效光熱轉(zhuǎn)化中的作用提供了一個新的視角，為Weyl半金屬材料在太陽能水蒸發(fā)中的應(yīng)用提供了可能性。該工作以題為Self-enhancing photothermal conversion of 2D Weyl semimetal WTe₂ with topological surface states for efficient solar vapor generation發(fā)表于Nano Research。第一作者為暨南大學(xué)杜純博士，通訊作者為中山大學(xué)楊國偉教授。

圖1所制備的WTe₂納米片(a)TEM圖像，(b)和(c)HRTEM圖像和相應(yīng)的SAED圖。(d)-(f)Te和W元素分布圖，(g)EDX元素分析，插表是相應(yīng)的原子比，(h) 高度分析圖，插圖為AFM圖像。

圖2 (a)不同光熱轉(zhuǎn)換器在AM 1.5 G照射下的水蒸發(fā)質(zhì)量變化，功率密度：100mW/cm₂和(b)對應(yīng)的蒸發(fā)速率。WTe₂ @MCE(c)不同光功率下蒸發(fā)速率和(d)循環(huán)水蒸發(fā)質(zhì)量變化。

圖3WTe₂@MCE(a) UV-NIR吸收光譜和AM 1.5 G太陽照射的能量分布，插圖WTe₂ @MCE器件的光學(xué)圖像。(b)WTe₂@MCE和空白樣品的隨時間變化溫度曲線和(c)對應(yīng)的光熱映射圖像。(d)WTe₂ @MCE在干燥條件下隨時間光熱映射圖像。

圖4 (a)二維Td-WTe₂通過弱范德華力沿c軸堆積的正交晶體結(jié)構(gòu)，多面體表示為沿a軸的W-W鏈用紅線表示，帶有高對稱點的布里淵區(qū)。具有和沒有SOC的二維 Td-WTe₂(b)能帶結(jié)構(gòu)。(c)高分辨率能帶結(jié)構(gòu)，包含或不包含SOC效應(yīng)的部分Γ-X片段。(d)，(e)WTe₂@MC的太陽能水蒸發(fā)示意圖。(f)二維Td-WTe₂能帶結(jié)構(gòu)的光熱轉(zhuǎn)換機理。

杜純，暨南大學(xué)講師，碩士生導(dǎo)師，碩士和博士先后畢業(yè)于華南師范大學(xué)和中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點實驗室，主要從事二維半導(dǎo)體材料的制備及其光電特性研究和機理探究，迄今為止在Nat. Commun., Nano Energy, Appl. Catal. B, Adv. Sci, J. Mater. Chem. A, Small等國際知名期刊發(fā)表論文 20余篇，累積引用次數(shù)達 900 余次。

段宣明，暨南大學(xué)教授，973項目首席科學(xué)家，中科院“百人”計劃研究員，作為項目負責(zé)人承擔(dān)了國家“納米研究”重大研究計劃（973）項目、基金委“納米制造的基礎(chǔ)研究”重大研究計劃重點項目、科技部國際合作專項等10 余項重大、重點項目。被聘為國家基金委學(xué)科評審組成員、“973”評審專家、國家獎評審專家。長期以突破光學(xué)衍射極限這一重大科學(xué)問題為核心，發(fā)展超越衍射極限的激光直寫與無掩模投影及其相結(jié)合的激光納米光刻新原理、新技術(shù)、新裝備，在激光直寫加工與無掩模投影光刻分辨率方面保持世界領(lǐng)先水平；發(fā)展了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的低成本、高效率新型納米光刻技術(shù)，擁有10多項中國與國際核心專利， 發(fā)表論文200余篇，其中SCI收錄150余篇，Google Scholar 引用3200余次。

楊國偉，中山大學(xué)教授，中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長，中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點實驗室副主任，長江學(xué)者，973項目首席科學(xué)家。主要研究方向是納米材料生長熱力學(xué)理論、液體激光燒蝕及其在納米晶體合成和納米結(jié)構(gòu)制備中的應(yīng)用、新型碳納米材料和納米結(jié)構(gòu)。迄今為止，在國際材料科學(xué)領(lǐng)域重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文450余篇，SCI他引15000余次；獲國家自然科學(xué)獎二等獎1項（第一完成人），廣東省科學(xué)技術(shù)獎一等獎3項（第一完成人2項、第三完成人1項），廣東省丁穎科技獎1項。受邀擔(dān)任Scientific Reports，Editorial Board Member；Cancer Nanotechnology，Editorial Board Member；Nanomaterials, Editorial Board Member;《物理學(xué)報》和Chinese Physics B 編委；《中山大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），編委；國家科學(xué)技術(shù)獎評審專家；清華大學(xué)先進材料教育部重點實驗室學(xué)術(shù)委員會委員；南京理工大學(xué)新型顯示材料與器件工業(yè)和信息化部重點實驗室學(xué)術(shù)委員會委員；廣東省材料研究會副理事長；第八屆教育部科學(xué)技術(shù)委員會材料學(xué)部委員。

Du C, Yang Z, Mo A, et al. Self-enhancing photothermal conversion of 2D Weyl semimetal WTe₂ with topological surface states for efficient solar vapor generation. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5852-2.