王子平;王静慧;孙丹卉;郝明娇;王强;曾维翼;段莉梅;刘景海
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【摘 要】太阳能转化利用倍受人们的期待,光热转化作为太阳能利用的一种有效途径,逐渐引起学者的关注.本文简要介绍纳米材料光热转换基本原理和各类具有光热效应的材料体系,重点总结了光热协同催化作用在光热肿瘤、海水淡化和净化以及基于太阳能热利用的CO2转化、甲醛分解、废水废气处理等能源环境领域的应用进展. 【期刊名称】《内蒙古民族大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2019(034)003
【总页数】5页(P201-205)
【关键词】光热;纳米材料;催化;应用
【作 者】王子平;王静慧;孙丹卉;郝明娇;王强;曾维翼;段莉梅;刘景海
【作者单位】内蒙古民族大学 化学化工学院,纳米创新研究院,内蒙古 通辽 028043;内蒙古民族大学 化学化工学院,纳米创新研究院,内蒙古 通辽 028043;内蒙古民族大学 化学化工学院,纳米创新研究院,内蒙古 通辽 028043;内蒙古民族大学 化学化工学院,纳米创新研究院,内蒙古 通辽 028043;内蒙古民族大学 化学化工学院,纳米创新研究院,内蒙古 通辽 028043;内蒙古民族大学 化学化工学院,纳米创新研究院,内蒙古 通辽 028043;内蒙古民族大学 化学化工学院,纳米创新研究院,内蒙古 通辽 028043;内蒙古民族大学 化学化工学院,纳米创新研究院,内蒙古 通辽 028043
【正文语种】中 文
【中图分类】O643.36
随着工业化进程加速，地球能源被大量消耗，尤其是不可再生能源的消耗非常巨大，所以节约能源、开发新技术、寻可再生能源，是缓解资源约束的现实选择［1］.催化技术在化工能源领域具有重要的作用，其中最具代表性的是光催化和热催化技术.太阳能取之不尽的优势，在催化方面具有良好的应用前景，但是太阳能的光频利用率较低，研究发现，如果入射光的能量不足，常常无法激发反应进行.在贵金属负载改性的情况下，半导体光催化
材料的量子效率仍然很低［2］.热能作为高效的能源，在反应中通过热来增强催化效果，在化工产业中具有良好的应用并创造了瞩目的成就，但是热催化因其能耗高、容易影响产物的稳定性以及选择性等特点制约了热催化的发展.例如，苯乙烯在工业生产中，使用沸石催化剂改进了苯烷基化的工艺，但反应仍然需要高温（通常为350oC至450oC）并产生多烷基化产物［3-5］.
光催化和热催化技术长期以来都是两个独立的化工能源催化技术，近年来，针对两者有很多研究，对比发现如果能将两者结合起来，促成光热协同催化技术，使两者优势互补，开辟出新的有效可行的催化途径，是解决能源紧张现状的有效方式.
1 光热转换基本原理
光热转换效应（LSPR）是通过材料吸收光能引起表面局域等离子体共振效应，光能转化为电子或空穴谐振的动能、或者电子跃迁能量，通过晶格散射的振动能使周围环境温度提高的现象［6］.不同光热转换材料的原理不同.比如贵金属纳米粒子（如Au NCs［7］、Pd NCs［8］、Ag NCs［9］等）吸收辐射后，表面电子振荡增强，主要以热能形式释放；具有LSPR的半导体纳米晶（如金属氧硫族、钨基纳米晶等）材料，通过表面等离子体共振
效应，实现光热转换；碳材料（如碳纳米管［10-11］，石墨烯及碳基复合材料［12-13］）由于其结构的特殊性能够在近红外光区有很强的吸收，实现光热转换.由此说明，材料的光热转换性能主要与材料吸收外来辐射和产生能量的强弱有关.
2 具有光热效应的材料体系
光热协同催化的共同作用有效的改善了单一条件催化所带来的效率较低的问题，具有光热协同催化的催化剂受到了广泛的关注.目前，光热转换材料主要为贵金属［2-4］、有机聚合物类、碳基及其复合纳米材料、磁性纳米材料和半导体.贵金属中具有光热效应的材料主要包括金、银、铂和钯等贵金属纳米粒子.这些贵金属纳米材料均有着较强的局部LSPR效应，进行调控贵金属纳米粒子的粒径大小、形貌，使得材料的等离子体共振峰延伸到近红外区域，从而提高光热转换效率.
有机聚合物光热转换材料主要有小分子染料类、超分子类、共轭聚合物类.小分子染料类中具有光热效应的还有吲哚花青绿、噻二唑衍生物、咪喹莫特等.
碳基纳米材料由于其特殊的材料结构在可见-近红外区具有较强的光吸收，能将光能快速转化为热能，具有显著的光热效应，主要包括碳纳米管、碳纳米棒、石墨烯、石墨烯氧化物.
磁性纳米材料主要有Fe3O4纳米颗粒、磁性脂质体、磁流体、铁磁微晶、铁碳复合物和超顺磁性氧化铁.半导体纳米材料目前成为研究者广泛关注的一类光热转换材料，其中过渡金属氧硫族光热转换试剂扮演着重要的角.浮油收集器
3 光热转换材料的实际应用书立
3.1 在医学方面的应用 光热也是一种新兴的肿瘤方法，主要是采用对组织穿透力较强的近红外光（因为它的波长范围可透过人体皮肤和深层组织而不被吸收）进行辐射肿瘤组织，将吸收的光能转化为热能使肿瘤组织温度升高，导致局部高温从而杀伤肿瘤细胞的目的.这种技术对设备的要求极低、成本廉价、操作简便且容易控制，同时对正常组织的损伤也很小，因此近年来受到科学家们的青睐［14-16］.赵宇亮首次报道了牛血清白蛋白修饰的多钨酸钆作为多功能诊疗一体化应用于癌症的诊断和，使得光热试剂应用于肿瘤的光热；常津、张兵波，采用来源丰富的牛血清白蛋白（BSA）为生物模板，制备出了高质量GdCuS@BSA纳米颗粒，实现对肿瘤的有效消融，并且具有良好的生物相容性［17］；李秀军发现了传统HRP/Fe3O4纳米粒子（NPs）-TMB-H2O2比反应体系的近红外光热效应，实现了以温度计作为肿瘤标志物浓度的定量读数工具［18］；周晶副
使用新型软模板法合成了具有多孔结构的稀土上转换发光纳米材料，通过干扰热休克蛋白的合成，实现了高效的多模式成像指导的光热肿瘤［19］；焦体峰、闫学海通过原位矿化形成的金纳米颗粒被证实了具有调控胶原蛋白水凝胶机械性能的作用，这种水凝胶材料也被证明可联合光动力/光热，显著增强抗肿瘤效果［20］；易涛合成了一种能够对pH灵敏响应的光热分子pH-PTT，并通过BSA负载构建了BSA-pH-PTT的pH响应型高尔基体靶向的光热复合体系；该复合体系能够被肿瘤高尔基体更多地摄取并被高尔基体的弱酸性环境触发，杀死肿瘤细胞［21］；李岳彬、陈伟在水相室温条件下组装复合获得一种新型的基于硫化铜纳米盘聚集体的CuS-PTX/SiO2复合纳米胶囊，表现出了显著的光热-化学联合效果［22］.光热协同在肿瘤能够起到很大的作用，并且其应用前景非常广泛，上述的研究使得光热催化在实际应用方面取得了较大的进展.
中科院高能物理研究所赵宇亮研究员和谷战军研究员带领的团队结合同步辐射X射线近边吸收谱，在可控合成尺寸小、生物相容性好的纳米MoS2的基础上，研究了MoS2纳米片对耐氨苄青霉素的革兰氏阴性大肠杆菌及和革兰氏阳性内生孢子型枯草杆菌的抗菌效果［23］.
3.2 在海水淡化中的应用 海水淡化是解决我国淡水资源短缺的重要措施之一，利用太阳能来制造淡水是解决淡水危机的最佳方法.光热协同催化在海水淡化中也有很大的应用，学者们利用光热协同作用，发明了具有高效海水净化的装置来进行海水的净化，如胡良兵课题组利用介孔木材的各向异性导热设计出太阳能蒸汽发生装置，在1个太阳下达到80%的高蒸汽发电效率，在10个太阳下实现89%的高蒸汽发电效率［24］；朱嘉等发明了等离子激元铝黑体材料增强的太阳能海水淡化装置，使得能量传递效率高达90%左右，淡化前后水的盐度可降低4个数量级［25］；甘巧强、江素华设计出一种便携式太阳能蒸馏器，通过价格低廉的炭黑粉末、亲水多孔纸张和聚苯乙烯泡沫塑料制成的“黑纸”而制成，可以使太阳能转换效率达到88%［26］；陈永胜等设计出一种独立的3D交叉连接的蜂窝石墨泡沫太阳能转换器，其组成简单能够捕获太阳光并转化为热量［27］.与此同时，在进行海水净化过程中，一些学者利用膜技术结合光热催化进行海水净化，如frem Curcio教授将传统的膜蒸馏技术与光热转化结合起来实现蒸馏过程［28］；周军设计了基于碳纳米管（CNT）改性滤纸和商用Nafion膜的海水淡化和盐差发电复合系统，获得了较高的海水淡化光热转换效率，同时能够实时输出电能［29］；江河清利用其独特的三维结构，通过改善光热膜体系的传质和传热性能，设计了具有宏观尺寸的3D空心锥形光热膜，其光热转化效率超过93%，表现出较好的稳定性，同时其蒸发效率是自然蒸发的3.5倍［30］.
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在海水净化上面，也进行了设计出新型的材料来增加还增加光热水蒸发效率，如王鹏等将MXene材料引入光热水蒸发中，MXene可以在维持高吸光率的条件下近乎百分之百地将吸收的光能转化为热能，增加光热水蒸发效率［31］，温珍海、侯阳、罗胜联通过球磨商用二氧化钛和铝颗粒的低廉前驱体制备黑铝-钛-氧纳米混合体，铝-钛-氧混合体构建的薄膜展现了高的光热效率和有效的太阳能脱盐性［32］，崔琳凡研发出了石墨烯复合结构，结合光-电-热效应的利用太阳能海水淡化新方法，实现了清洁水产水速率的大幅度提高［33］，刘忠范等通过等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）生长出具有连续孔隙的多级结构石墨烯泡沫（h-G泡沫），海水淡化应用的太阳蒸气转化效率超过90%，且具有良好的耐久性和循环使用性能［34］，余桂华等通过引入毛细管水通路增强了水凝胶的水运输，实现了高效快速的水蒸发及盐水分离［35］，Ghim Wei Ho报道了一种廉价的可伸缩的3D弹性富氮多孔碳海绵（CS）进行了高效原位间接光热蒸发，避免了过多的热量损失，提高了蒸发效率，独立的CS也具有太阳能蒸汽诱导生电［36］.
3.3 在能源环境领域的应用 利用太阳能将H2O与CO2转化为太阳能燃料（H2、CO或碳氢燃料）是极具潜力的太阳能储能和碳循环方法之一.光催化转化技术主要聚焦于太阳光中紫外与部分可见光波段的能量利用，基于太阳能热利用的热化学循环转化技术，理论上可以
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将太阳能完全转化为热能.赵喆课题组利用自制的CO2催化反应装置，在外加可见光光源条件下，维持反应器内部温度350oC，CO2、水汽和催化剂在此条件下反应生成甲烷，反应过程中CO2和水同时被铁酸镍催化剂催化裂解为中间体，最终转化生成甲烷［37］.室内甲醛污染也受到了广泛的关注.张彭义开展了MnO2对室内环境中甲醛的分解性能研究，将石墨烯与二氧化锰复合，这种复合材料具有优异的光热转换特性，MnO2为甲醛氧化提供了反应位点，石墨烯将转化的热能传递给为MnO2；该工作提出了一种有效利用太阳能的方法，利用石墨烯的光热特性，促进了复合材料对太阳光的利用，光照下，MnO2-G比单独的MnO2或单独的石墨烯表现出更高的甲醛分解活性，活性增强主要源于石墨烯的光热效应，MnO2为甲醛氧化提供了反应位点，石墨烯将转化的热能传递给为MnO2.将催化剂与光热材料结合，提供了一种利用太阳能改善热催化性能的新思路［38］.
在废水处理方面，王玉超利用光热蒸发-吸附协同作用深度处理含重金属离子的污水，在碳纳米管上层构筑光热涂层，以多孔二氧化硅作为导水支撑层得到复合光热膜，在一个太阳光强度下可以将水蒸发效率提高到1.3 kg·m-2·h-1，太阳光利用率超过82%，通过表面氨基及含氧基团的接枝，光热膜具有较高的吸附性能，对多种重金属离子吸附量均超过100 mg·g-1［39］.
废气处理方面，光热协同催化可有效增强金属氧化物催化剂净化VOCs的能力，Yang等合成了斜方锰矿型的MnO2空心球（R-MnO2-HS），在太阳光照射和140oC下，R-MnO2-HS上光热协同催化降解苯反应30 min的降解率达到100%，远高于TiO227%的催化降解率［40］.
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