研究背景

水是生命之源，然而，全球范围内的水资源短缺问题日益严峻。特别是在许多干旱地区和岛屿国家，人们面临着不足的淡水供应。为了解决这一问题，研究人员一直在寻求可持续、高效的淡化海水技术。在这个背景下，太阳能海水淡化技术崭露头角，成为一种备受关注的解决方案。在太阳能海水淡化技术的发展过程中，光热转换材料起到关键作用。光热转换材料可以将太阳能转化为热能，并促进海水相变蒸发。然而，传统光热转换材料在太阳能—水蒸气转化方面表现出了效率低下且集水率不足等问题，为了应对这些挑战，亟需设计一种既能提高太阳能光热转换且同时降低水的蒸发焓的太阳能光热材料，以实现更为优良的光热水蒸发过程。

成果介绍

海南大学黄玮&张明鑫等人开发了一种基于氮掺杂多孔石墨增强铜等离子效应的太阳能光热转换材料。通过将铜纳米颗粒包覆在氮掺杂的多孔碳材料中，氮掺杂的碳材料与铜纳米颗粒表面形成强大的金属-有机协同配位键，作为能量桥梁实现快速能量传递，促进铜等离子体共振热电子能量缓释，提升热能转换，实现了高达89.4 %的太阳能转化效率。另一方面，包覆层石墨孔径保持在0.4nm以下，仅允许水分子通过，避免水合金属离子的生成，实现了对铜纳米颗粒的长期保护。纳米限域通道调控了水团簇形式的蒸发传递过程，降低了光热材料蒸发焓值，使该材料获得了高达1.94 kg m^-2 h^-1的蒸发速率。该研究为稳定化等离子体光热材料的研究提出了新的设计思路。

研究成果以“Nitrogen-doped Microporous Graphite-enhanced Copper Plasmonic Effect for Solar Evaporation”为题，在线发表在Carbon Energy（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.466）。海南大学黄玮和张明鑫为通讯作者，文章主要学生完成人为海南大学硕士生吴鑫涛、博士生李成成和本科生张子琪。

图文介绍

图一 Cu@C-Ns的合成过程与化学组成分析

该工作设计了一种氮掺杂多孔碳包覆的铜碳复合材料（Cu@C-Ns），如图一所示，通过液体紫外610nm吸收峰验证材料内铜纳米颗粒的等离子体共振效应。并且分析了氮掺杂组分的变化关系，明确发现了Cu@C-Ns内共轭氮（双配位氮位点：吡啶氮和吡咯氮）组分下降趋势明显，各拉曼D峰与G峰强度比也表明石墨内的掺杂缺陷呈现下降趋势。

图二 Cu@C-Ns的太阳能致热能力分析

进一步，基于材料对于太阳光的高吸收率，测定出共轭氮掺杂组分有利于提升材料光热转换能力，如图二所示。根据计算所得材料光生电荷载子密度和稳定化表面局域温度与共轭氮组分的梯度关系，对比了纯氮掺杂碳组分的光致热能力，发现了共轭氮位点在组分设计上能提升铜颗粒于材料内的光热转换能力（11℃）。

图三 Cu@C-Ns内氮掺杂位点能桥效应的构建

为了分析Cu@C-Ns内共轭氮掺杂位点的电子行为，如图三所示，对各类位点做了电子态密度计算，得出了共轭氮位点配位时的电负性行为，并且对相邻碳原子造成了π电荷密度亏损。同时共轭氮位点的含量降低也影响了配位铜（peak 2和peak 4）的含量，表明Cu@C-Ns内共轭氮与铜颗粒存在桥接作用，而光生载子便能在π电子平面进行缓释能量。

图四 Cu@C-Ns水蒸发能力表征

将Cu@C-Ns光热材料进行光热界面蒸发过程测定，在湿润状态下能桥效应材料也有较快的升温能力，同时在多孔石墨内测得的中间水证明了Cu@C-Ns内还有微孔，经BET测定在0.4nm以下，微孔的存在利于材料内水分子以团簇形式蒸发逸出，降低蒸发焓值，从而得到高达1.94 kg m^-2 h^-1的蒸发速率。

本研究提出了一种全新的氮掺杂位点调制铜等离子共振能量桥接效应，促进光生载子的能量缓释，同时纳米孔径中存在较高含量中间水，使得材料获得优异的光热转化能力和较低的蒸发焓，从而实现高达89.4%的太阳能-蒸汽转化效率并兼具1.94 kg m^-2 h^-1的水蒸发速率。为非金属与过渡金属配位强化光热转换提供了新的构建思路。