摘要：开发高性能光热材料并揭示其潜在机制对光热应用至关重要。针对这一问题，武汉工程大学马良课题组、中国地质大学(武汉)数理学院丁思静以及南方科技大学王取泉教授携手在Science Advances期刊上发表了题为“Strong interaction between
成果简介
开发高性能光热材料并揭示其潜在机制对光热应用至关重要。针对这一问题，武汉工程大学马良课题组、中国地质大学(武汉)数理学院丁思静以及南方科技大学王取泉教授携手在Science Advances期刊上发表了题为“Strong interaction between plasmon and topological surface state in Bi2Se3/Cu2-xS nanowires for solar-driven photothermal applications”的最新论文。本文第一作者为2022级硕士生刘洋。
团队展示了在Bi2Se3/Cu2-xS纳米线中，通过等离激元与拓扑表面态（TSS）之间的强相互作用，光热性能的提升。该混合物中，Cu2-xS纳米片生长于Bi2Se3纳米线表面，利用了等离激元共振和TSS引发的光学性质，生成宽范围且高效的光吸收。
一系列测试表明，混合物中存在强共振耦合、TSS引发的热电子注入以及等离激元引发的热空穴弛豫，这些特性赋予Bi2Se3/Cu2-xS优异的光热性能。通过将这些混合物与热电模块集成到水凝胶中，Bi2Se3/Cu2-xS蒸发器在模拟阳光辐射下达到了3.67千克每平方米每小时的显著水蒸发率，太阳能到蒸汽的效率为95.2%，并且最大输出功率为1.078瓦特每平方米。此外，引入了一个圆锥镜到装置中，极大地提升了蒸发速率和最大输出功率，而无需额外的能量输入。
研究亮点
（1）实验首次将Bi2Se3与Cu2-xS纳米片结合，制备了Bi2Se3/Cu2-xS杂化物，展示了其优异的光热转化效率（PCE为54.6%），这一结果与许多光热材料（如半导体结和金属基杂化物）相当。
（2）实验通过生长Cu2-xS纳米片于Bi2Se3纳米线表面，利用等离激元共振与拓扑表面态（TSS）之间的强相互作用，显著提高了光吸收效率。通过TSS和等离激元共振的共振耦合，增强了光场并促进了载流子的弛豫过程，从而有效提升了光热转化性能。
（3）通过将Bi2Se3/Cu2-xS杂化物结合至水凝胶中，水凝胶表现出94.33%的阳光吸收率及卓越的光热转化性能，达到了3.67 kg m−2小时−1的水蒸发速率，并且太阳能转蒸汽效率达到95.2%，超越了许多当前先进的蒸发器。
（4）在水凝胶中嵌入热电模块后，Bi2Se3/Cu2-xS水凝胶装置在模拟阳光照射下，达到了稳定的3.47 kg m−2小时−1的蒸发速率以及1.078 W/m²的最大输出功率。
（5）通过引入圆锥镜，进一步提高了蒸发速率至5.94 kg m−2小时−1，最大输出功率提升至3.259 W/m²，无需额外的能源输入，因多次反射聚焦能量。
（6）室外实验结果显示，基于Bi2Se3/Cu2-xS水凝胶的装置在自然阳光驱动下，日均淡水生成量为22.66 kg m−2，输出功率为8.418 W/m²，显示出在水和热电功率协同生产方面的巨大潜力。
图文解读
图1. Bi2Se3/Cu2-xS杂化物的制备与表征。
图2. Bi2Se3/Cu2-xS杂化物的光学特性。
图3. Bi2Se3/Cu2-xS杂化物中载流子弛豫机制的研究。
图4. Bi2Se3/Cu2-xS杂化物的光热性能。
图5. Bi2Se3/Cu2-xS水凝胶的制备、表征和光学特性。
图6. Bi2Se3/Cu2-xS水凝胶的水蒸发性能。
图7. Bi2Se3/Cu2-xS水凝胶的水蒸发与热电功率协同生产。
结论展望
总之，本文成功地制备了Bi2Se3/Cu2-xS杂化物，用于高效协同生成淡水和热电功率。由于等离激元共振与拓扑表面态（TSS）之间的强相互作用，杂化物具有有效的光吸收、Bi2Se3与Cu2-xS之间的高效电荷转移以及强电场，从而实现了出色的光热转化效率（PCE）。通过将Bi2Se3/Cu2-xS杂化物集成到水凝胶中，蒸发器具有约94.33%的阳光吸收率、优异的亲水性和高性能的光热特性。因此，Bi2Se3/Cu2-xS水凝胶表现出3.67 kg m−2小时−1的高太阳能驱动水蒸发率和95.2%的太阳能转蒸汽效率。
此外，将热电模块（TE模块）集成到Bi2Se3/Cu2-xS水凝胶中，使设备在模拟一阳光照射下保持3.47 kg m−2小时−1的稳定蒸发率，并达到1.078 W/m2的最大输出功率。创新性地将锥形镜集成到设备中，通过多次反射实现能量聚焦，极大地提高了蒸发率至5.94 kg m−2小时−1，输出功率提高至3.259 W/m2，无需额外能量输入。本研究为基于拓扑绝缘体（TI）的先进光热材料设计提供了启示，并促进了可持续协同生成淡水和热电功率蒸发设备的开发。
文献信息
Yang Liu et al. ,Strong interaction between plasmon and topological surface state in Bi2Se3/Cu2-xS nanowires for solar-driven photothermal applications.Sci. Adv.11,eadt2884(2025).DOI:10.1126/sciadv.adt2884
来源：朱老师讲VASP