光热材料是太阳能驱动的水蒸发和热电发电系统的重要组成部分。最终的蒸发速率和热电功率在很大程度上取决于它们的光热转换效率
(PCE)
。等离子体
Cu
2-x
S
是一种出色的自掺杂半导体，能够产生高密度的自由电荷载流子，从而在近红外
(NIR)
区域引起等离子体共振。
Cu
2-x
S
易于制备、成本低、稳定性高、兼容性好，且易于与多种功能材料混合，已被证明在光热应用中表现出巨大的潜力。最近的研究强调了二维膜、三维结构和水凝胶形式的等离子体纳米结构在太阳能驱动的水蒸发和热电发电方面的巨大潜力。基于水凝胶的太阳能蒸发器具有独特的优势，包括出色的热管理、快速的水传输和突出的亲水性。
拓扑材料因其独特的电子特性和拓扑表面态
(TSS)
而备受关注。这些材料表现出体带隙，而其表面或边缘具有受拓扑保护的导电态。当拓扑材料暴露在光线下时，其
TSS
可以吸收光子并产生电子
-
空穴对，这一过程是光热转换的基础。此外，它们可以在光照射下在拓扑材料表面产生高局域化和稳定的等离子体，这赋予拓扑材料优异的光吸收和近场增强。受拓扑保护的表面态可以最大限度地降低载流子的复合率，从而使更高比例的吸收能量转化为热量。先前的研究报道了拓扑材料的
TSS
增强的光热转换。
TSS
引起的光热转换使拓扑材料非常适合用作持续太阳能驱动的水蒸发和热电发电的基质。拓扑材料与等离子体材料的战略性结合为提高光热效率提供了一种有希望的途径。
南方科技大学王取泉教授、中国地质大学（武汉）丁思静教授、武汉工程大学马良副教授等研究人员
利用等离子体和
TSS
之间的强相互作用提高了
Bi
2
Se
3
/Cu
2-x
S
杂化物中的光热转换效率。通过在
Bi
2
Se
3
纳米线上生长等离子体
Cu
2-x
S
纳米片，该杂化物在
808 nm
激光辐照下表现出
54.6%
的优异
PCE
，可与半导体结和金属基杂化物等许多光热材料相媲美。
TSS
和等离子体共振的共振耦合以及杂化物内载流子的弛豫过程大大提高了光吸收效率。同时，
TSS
和等离子体共振相互作用产生的放大电场可以进一步增强光热转换。随后，将
Bi
2
Se
3
/Cu
2-x
S
杂化物与水凝胶连接，水凝胶
对太阳光的吸收率为
94.33%
，具有优异的亲水性和高性能的光热转换性能。结果显示，
Bi
2
Se
3
/Cu
2-x
S
水凝胶表现出较高的太阳能驱动水蒸发速率
3.67 kg m
-2
hour
-1
和太阳能转化为蒸汽的
效率
95.2%
，超过了许多最先进的蒸发器。
Bi
2
Se
3
/Cu
2-x
S
水凝胶在海水淡化、废水和工业用水净化方面也表现出色。通过在
Bi
2
Se
3
/Cu
2-x
S
水凝胶中嵌入热电
(TE)
模块，该装置在模拟阳光照射下实现了
3.47 kg m
-2
hour
-1
的稳定蒸发速率和
1.078 W/m
2
的最大输出功率。此外，在装置中引入锥面镜，通过多次反射将能量聚焦，在无需额外能量输入的情况下，蒸发速率进一步提高至
5.94 kg m
-2
hour
-1
，最大输出功率达
3.259 W/m
2
。室外实验结果表明，基于
Bi
2
Se
3
/Cu
2-x
S
水凝胶的装置日淡水产出量为
22.66 kg m
-
2
，输出功率为
8
.418 W/m
2
，在利用自然光进行水热电联产方面展现出巨大的潜力。
相关研究成果2025年3月12日以“
Strong interaction between plasmon and topological surface state in Bi
2
Se
3
/Cu
2-
x
S nanowires for solar-driven photothermal applications
”为题发表在
Science Advances
上。
材料合成与结构设计
：通过简便的三步水热法制备了
Bi
2
Se
3
/Cu
2-x
S
纳米线，实现了
Bi
2
Se
3
和
Cu
