太陽能光熱水蒸發是解決水資源短缺的一項有前途的、綠色可持續的技術。然而，在自然蒸發條件下，由于水對太陽光的吸收極小，太陽光的利用效率極為低下。目前，光熱轉換材料相繼被開發應用到太陽能水蒸發中以提升其效率。由于具有獨特的形態學和物理化學性質，包括較大的表面積、量子限制效應和低毒性等，二維材料在光熱轉換應用中展示了巨大的潛力。實際上，大多數二維材料已經被研究用于光熱治療，主要是它們僅對近紅外照射有響應，對寬光譜范圍不響應。而對全太陽光譜的強吸收是太陽能光熱蒸發的理想特性。為此，研究人員采取了一系列增強吸收的策略，如合金化，等離子體和缺陷調制等。然而，復雜的制備工藝、材料合成周期長以及材料循環使用性低，使其面臨諸多挑戰。因此，探索一種具有自增強太陽能吸收的理想候選二維材料是實現高效產生水蒸汽的關鍵。

暨南大學段宣明團隊杜純博士和中山大學楊國偉教授等人提出了一種由拓撲表面態（TSS）誘導的自增強光熱轉換促進太陽能水蒸汽產生策略。采用液體剝離法將少層WTe₂制備成光熱材料，而后沉積在混合纖維素酯（MCE）上作為光熱轉換器。由于半金屬TSS的獨特特性，二維WTe₂具有較高的光吸收能力、低熱擴散率、比熱容和高載流子密度。與預期的一樣，WTe₂ @MCE的光熱轉換器在1個陽光照射下的光熱蒸發率為1.09 kg/m²/h，分別比MCE（0.18 kg/m²/h）和純水（0.35kg/m²/h）高出了6.1倍和3.1倍。更重要的是，它遠遠高于商業超藍色涂層（0.74 kg/m²/h），實現了74.8%的高效太陽能蒸汽產生效率，預示著巨大的商業應用潛力。結合第一性原理密度泛函理論和是否具有TSS的二維WTe₂光熱轉換實驗，有力證明了二維WTe₂中TSS有利于增強光吸收，且量子約束效應可以最大限度地促進電子和聲子的相互作用，從而產生巨大的光熱效應。此外，還進行了機理探究，表明了具有TSS的二維Weyl半金屬WTe₂通過多途徑發射光熱轉換的機制實現高效的光熱轉換性能。本工作為TSS在高效光熱轉化中的作用提供了一個新的視角，為Weyl半金屬材料在太陽能水蒸發中的應用提供了可能性。該工作以題為Self-enhancing photothermal conversion of 2D Weyl semimetal WTe₂ with topological surface states for efficient solar vapor generation發表于Nano Research。第一作者為暨南大學杜純博士，通訊作者為中山大學楊國偉教授。

圖1所制備的WTe₂納米片(a)TEM圖像，(b)和(c)HRTEM圖像和相應的SAED圖。(d)-(f)Te和W元素分布圖，(g)EDX元素分析，插表是相應的原子比，(h) 高度分析圖，插圖為AFM圖像。

圖2 (a)不同光熱轉換器在AM 1.5 G照射下的水蒸發質量變化，功率密度：100mW/cm₂和(b)對應的蒸發速率。WTe₂ @MCE(c)不同光功率下蒸發速率和(d)循環水蒸發質量變化。

圖3WTe₂@MCE(a) UV-NIR吸收光譜和AM 1.5 G太陽照射的能量分布，插圖WTe₂ @MCE器件的光學圖像。(b)WTe₂@MCE和空白樣品的隨時間變化溫度曲線和(c)對應的光熱映射圖像。(d)WTe₂ @MCE在干燥條件下隨時間光熱映射圖像。

圖4 (a)二維Td-WTe₂通過弱范德華力沿c軸堆積的正交晶體結構，多面體表示為沿a軸的W-W鏈用紅線表示，帶有高對稱點的布里淵區。具有和沒有SOC的二維 Td-WTe₂(b)能帶結構。(c)高分辨率能帶結構，包含或不包含SOC效應的部分Γ-X片段。(d)，(e)WTe₂@MC的太陽能水蒸發示意圖。(f)二維Td-WTe₂能帶結構的光熱轉換機理。

杜純，暨南大學講師，碩士生導師，碩士和博士先后畢業于華南師范大學和中山大學光電材料與技術國家重點實驗室，主要從事二維半導體材料的制備及其光電特性研究和機理探究，迄今為止在Nat. Commun., Nano Energy, Appl. Catal. B, Adv. Sci, J. Mater. Chem. A, Small等國際知名期刊發表論文 20余篇，累積引用次數達 900 余次。

段宣明，暨南大學教授，973項目首席科學家，中科院“百人”計劃研究員，作為項目負責人承擔了國家“納米研究”重大研究計劃（973）項目、基金委“納米制造的基礎研究”重大研究計劃重點項目、科技部國際合作專項等10 余項重大、重點項目。被聘為國家基金委學科評審組成員、“973”評審專家、國家獎評審專家。長期以突破光學衍射極限這一重大科學問題為核心，發展超越衍射極限的激光直寫與無掩模投影及其相結合的激光納米光刻新原理、新技術、新裝備，在激光直寫加工與無掩模投影光刻分辨率方面保持世界領先水平；發展了具有自主知識產權的低成本、高效率新型納米光刻技術，擁有10多項中國與國際核心專利， 發表論文200余篇，其中SCI收錄150余篇，Google Scholar 引用3200余次。

楊國偉，中山大學教授，中山大學材料科學與工程學院院長，中山大學光電材料與技術國家重點實驗室副主任，長江學者，973項目首席科學家。主要研究方向是納米材料生長熱力學理論、液體激光燒蝕及其在納米晶體合成和納米結構制備中的應用、新型碳納米材料和納米結構。迄今為止，在國際材料科學領域重要學術期刊發表SCI論文450余篇，SCI他引15000余次；獲國家自然科學獎二等獎1項（第一完成人），廣東省科學技術獎一等獎3項（第一完成人2項、第三完成人1項），廣東省丁穎科技獎1項。受邀擔任Scientific Reports，Editorial Board Member；Cancer Nanotechnology，Editorial Board Member；Nanomaterials, Editorial Board Member;《物理學報》和Chinese Physics B 編委；《中山大學學報（自然科學版），編委；國家科學技術獎評審專家；清華大學先進材料教育部重點實驗室學術委員會委員；南京理工大學新型顯示材料與器件工業和信息化部重點實驗室學術委員會委員；廣東省材料研究會副理事長；第八屆教育部科學技術委員會材料學部委員。

Du C, Yang Z, Mo A, et al. Self-enhancing photothermal conversion of 2D Weyl semimetal WTe₂ with topological surface states for efficient solar vapor generation. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5852-2.