光热转换是一种清洁的太阳能利用技术,其中,光热蒸发是广泛涉及且非常重要的热物理过程。太阳辐射具有能流密度低和间歇性的特征,使基于体相加热的小型光热蒸发系统存在温度响应慢、能量效率低的问题。光热局域化界面蒸发(photothermalinterfacialevaporationbyheatlocalization)将能量集中在液体与空气的界面,使局部区域发生快速升温和汽化,可显著提升光热蒸发的温度响应和能量效率,在小型分布式海水淡化、蒸汽灭菌、污水净化等场景展现出应用潜力。光热局域化界面蒸发涉及光能与热能的转换、固相与液相的热传递、分子和离子的输运等,深入理解以上能质传输过程的机理是指导开发光热材料、优化光热蒸发性能和设计热局域化系统的关键。与此同时,光热材料的微小化,如纳米薄片,可能会导致其光学、热学规律偏离已有的体材料特征,产生特殊的现象,如尺寸效应和边缘效应,但现有理论还无法充分解释这些现象,因此需要开展更多的研究工作,以推进纳米光热转换和热局域化界面蒸发理论体系的发展和完善。本论文聚焦于“光热局域化界面蒸发”过程所涉及的光热学问题,以石墨烯基光热材料为主要研究对象,运用密度泛函理论和分子动力学模拟,结合实验检测和微观表征,深入研究了石墨烯光热材料的取向特征、结构尺寸、表面浸润性对光吸收、光热转换、热局域化效应、固-液界面传热以及界面吸附与流动等热质传输过程的作用机制,并着重分析以上过程在微纳尺度下的特殊规律和现象,以及结构的微小化对以上过程的影响。全文共11章,其中第3、4、5章研究了光热蒸发过程中与能量传递相关的热物理现象,如光的吸收、光热转换和界面传热;第6、7章则直接进行光热蒸发测试,讨论以上能量传输特性对光热蒸发性能的影响;第8、9章进一步研究光热蒸发系统中的界面吸附和流动现象,重点谈论在纳米尺度下的特殊现象和增强效应;第10章则基于前面章节对光热局域化效应的理解,提出一种太阳能驱动的石墨烯制备方法,并探讨石墨化机理。1)第3章研究了石墨烯的晶面取向特征和结构尺寸对其光学性质的影响。通过密度泛函理论,计算了多种石墨烯结构的光学性质,发现石墨烯具有光学各向异性,对平行其六角形晶面传播的太阳辐射的吸收能力,远强于对垂直晶面传播辐射的吸收能力,这是因为石墨烯对太阳辐射(200～2600nm)的吸收主要取决于π-π~*电子跃迁,当辐射传播方向与晶面垂直时,同一原子层内的π-π~*电子跃迁被禁止,导致π-π~*电子跃迁发生的概率较低;对于平行辐射而言,同一原子层内的π-π~*电子跃迁被允许,使石墨烯对辐射的吸收能力显著提高;对于同是平行晶面传播的辐射,如传播方向与石墨烯的扶手型边缘正交或与锯齿型边缘正交,石墨烯的吸收性质也表现出一定的差异。另外,当结构尺寸沿辐射传播方向延长,石墨烯对太阳辐射的有效吸收率呈非线性增长,而增长率呈下降趋势。基于理论计算结果,设计并制备了晶面取向与辐射传播方向平行的垂直取向石墨烯,构筑了纳米尺寸的“光陷阱”,将对太阳辐射的有效吸收率提高到了98.5%。2)第4章研究了石墨烯的晶面取向特征和结构尺寸对光热转换特性的影响,并协同热局域化设计,加快了光热转换的温度响应。研究发现石墨烯在光照下的温度响应特性与其光吸收性质紧密关联,对入射光的有效吸收率越高,其表面的升温速度越快,稳态温度也越高,其中垂直取向石墨烯表现出比水平石墨烯膜更高的光吸收能力和更快的温度响应。另外,利用共价键将垂直取向石墨烯与具有低导热系数的石墨烯气凝胶,连接成兼具吸光和隔热功能的一体化石墨烯结构,在获得高光吸收率的同时,有效控制了热能的分配与传递,将能量集中在直接受光区域,提升了局部区域的升温速度和稳态温度,即发生了“光热局域化效应”,在标准太阳辐射强度(1kWm~(-2))下,最快升温速度为54.5℃s~(-1),进入稳态后,上下区域的温度差可达31.2℃。3)第5章研究了石墨烯的晶面取向特征和表面浸润性对固-液界面传热特性的影响。通过分子动力学模拟,计算了“面接触”和“边缘接触”两种石墨烯-水界面的传热性质,发现“边缘接触”界面具有更低的界面热阻,其中,热流在平行石墨烯晶面方向具有更快的传递速度,以及边缘碳原子与水分子的相互作用力较强,是“边缘强化传热”的主要原因。此外,固体与液体的润湿程度也是决定固-液界面传热系数的关键,通过引入含氧官能团,改善石墨烯的表面浸润性,可以提高液体对固体的润湿程度,增加固液有效接触面积,并加强液体分子与固体表层原子的相互作用,进而减小固-液界面热阻,加快热流在界面的传递。4)第6章研究了一体化石墨烯结构的光热局域化界面蒸发特性,并重点讨论光吸收、光热转换和固液界面传热对光热蒸发性能的影响。通过局部氧化,在一体化石墨烯结构的外表面构筑表面水流通道,获得了集吸光、隔热、输运、蒸发功能为一体的复合石墨烯结构,在光热蒸发测试中,表现出较快的蒸汽温度响应(在10kWm~(-2)的辐照条件下,仅耗时34s使蒸汽温度升高到100℃),和较高的能量效率(89.4%),其中,超高的吸光能力、良好的隔热能力、充足的水流供给以及高效的固-液界面传热是实现快速温度响应和高能量效率的关键。另外,调节石墨烯的表面浸润性,控制水流输运速率,可有效调控蒸汽温度响应与能量效率,但随润湿程度的提升,两者的变化规律不同,蒸汽的温升速度和稳态温度单调下降,而能量效率则先升高后降低。5)第7章研究了石墨烯光热蒸发过程中的传质现象,重点关注水分子和离子的输运、水蒸汽的扩散以及离子的析出和再溶解规律。针对含氧官能团在光照下不稳定的问题,在垂直取向石墨烯的生长过程中进行原位氮掺杂,获得了长期稳定的表面水流通道,在长达240h的光热海水淡化测试中表现出稳定的输水能力,在1kWm~(-2)的太阳辐照下,实现了1.27±0.03kgm~(-2)h~(-1)的高蒸发速率和88.6±2.1%的高能量效率。另外,水蒸汽自然扩散的路径与光的入射路径重合,会导致光散射和能量损失,通过抽气扇控制气流路径,引导水蒸汽的扩散,可以克服水蒸汽引起的光散射问题。而长时间的光热蒸发会导致蒸发区域的离子浓度上升,出现析盐现象,使吸光和传热性质恶化,但盐离子时刻发生的自扩散行为,会驱使离子通过表面水流通道自高浓度区域向低浓度区域扩散,最终完全溶解,而离子的自扩散速度与表面水流通道尺寸和水膜厚度有关。6)第8章研究了石墨烯光热蒸发过程中的界面流动问题,并着重讨论固体表面浸润性对基于毛细作用的液体吸附和输运规律的影响。成分复杂的水源,如油水混合液,会导致水的光热蒸发速率下降。在石墨烯表面修饰双功能基团(包括-CF_x和-COONa),使其具备排斥油分子和吸附水分子的能力。双疏性的-CF_x同时排斥油分子和水分子,但水分子的尺寸较小,能在-CF_x的间隙中自由穿梭,且极性的-COONa对水分子的吸引作用较强,使水分子能够穿越-CF_x层进而接触并润湿石墨烯表面;而尺寸较大的油分子被-CF_x层完全阻隔。在-CF_x与-COONa基团的协同作用下,石墨烯表面张力的色散分量减小,而极性分量增大,使其表现出吸引极性水分子,排斥非极性油分子的性质,能够只输运油水混合液中的水分子,实现了选择性光热蒸发,并在以含油海水为水源的海水淡化应用中,获得了超过1.251kgm~(-2)h~(-1)的光热蒸发速率和超过85.46%的能量效率。7)第9章进一步探究了液体在石墨烯微纳结构中的界面流动特性,分析了微纳通道尺寸对毛细吸附和虹吸输运过程的影响,以及光加热作用对液体性质和流动的作用机制。研究发现,在微米级多孔结构(石墨纤维)上构筑纳米级孔道(石墨烯纳米片),可以显著加快对液态油的毛细吸附过程,将毛细吸附系数提升了20.7%。一方面,特征结构的微小化以及石墨烯纳米片的超薄边缘,能显著增加固体的表面粗糙度,起到强化表面浸润性的作用。另一方面,纳米结构的引入增加了固体与液体的可接触面积,使浸润前后的表面能差扩大,提高了固体对液体的吸附能力。同时,在碳纤维表面生长石墨烯纳米片,可以加快基于虹吸效应的界面流动过程,将液态油的虹吸输运速率提高了20.1%。尽管孔道尺寸的缩小会增加固-液界面的流动阻力,但在原微米级结构上增加纳米级孔道,可以使液流通道增多,提高单位时间的流量。此外,基于光热局域化效应的光加热作用,可以显著提高固体通道及通道内液体的温度,降低液体的动力粘度,减小流动阻力,进而加快界面吸附和流动过程。8)第10章基于光热局域化效应,开发了一种太阳能驱动的石墨烯制备方法,讨论了环氧树脂材料的光致石墨化原理以及曝光时间、辐射强度、曝光次数对石墨化程度的影响。利用高能光束对环氧树脂板进行短时间(0.1～2s)曝光,因光热转换速度(1fs～1ps)远快于热在体材料中的扩散速度(100ps～10ns),在曝光的瞬间产生光热局域化效应,使曝光区域获得超高温度(