【引言】

高效的太陽能轉(zhuǎn)換與利用被視為國家能源的重大需求。其中，光-熱（蒸汽）轉(zhuǎn)化在海水淡化、分餾、滅菌等領(lǐng)域展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。然而由于光學(xué)和熱學(xué)的損耗，傳統(tǒng)的光-熱（蒸汽）轉(zhuǎn)化效率較低（~40%），很大程度上限制了其廣泛應(yīng)用。

【成果簡介】

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院朱嘉教授課題組在高效界面光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域做出了一系列工作：首先成功地實(shí)現(xiàn)了最黑等離激元吸收體的制備（Science Advances, 2, e1501227 (2016)）；在此基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)了首個基于等離激元增強(qiáng)效應(yīng)的太陽能海水淡化器件（Nature Photonics, 10, 393-398 (2016)），很大程度解決了吸收體的光學(xué)損耗問題；隨后通過二維水通道的設(shè)計來實(shí)現(xiàn)吸收體與水體的間接接觸，大大降低了器件向水體的熱傳導(dǎo)損耗（PNAS, 113, 13953-13958 (2016)）。

近期，該課題組著力于最大限度地解決在實(shí)際應(yīng)用中太陽能入射角不斷變化帶來的光學(xué)損耗和熱學(xué)損耗（熱傳導(dǎo)，熱對流和熱輻射）問題并取得了很好的進(jìn)展。這項(xiàng)最新的研究成果以“Three-dimensional artificial transpiration for efficient solar waste water treatment”為題發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review）。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 不同太陽能蒸汽發(fā)生器原理圖

(a) 傳統(tǒng)的光-熱(蒸汽)轉(zhuǎn)化器件示意圖

(b) 三維(3D)人工蒸騰器件示意圖

(c-e) 吸收體、水?dāng)U展層和一維水路徑的電鏡圖

圖2 不同的太陽能蒸汽發(fā)生器的溫度分布圖

(a-c) 二維直接接觸、二維間接接觸和三維人工蒸騰器件圖片

(d-f) 光照前，氧化石墨烯層的溫度

(g-i) 30min太陽光照條件后，氧化石墨烯層的溫度

圖3 光照條件下，太陽能蒸汽發(fā)生器的性能

(a) 光照和非光照條件下，二維直接接觸蒸騰器件質(zhì)量隨時間變化曲線

(b) 光照和非光照條件下，二維間接接觸蒸騰器件質(zhì)量隨時間變化曲線

(c) 光照和非光照條件下，三維人工蒸騰器件質(zhì)量隨時間變化曲線

(d) 室外陽光照射條件下，二維直接接觸、二維間接接觸和三維人工蒸騰器件

圖4 太陽能廢水處理的兩種途徑

(a) 處理前后不同金屬離子濃度，藍(lán)色線參考世界衛(wèi)生組織的飲用水標(biāo)準(zhǔn)

(b) 不同pH條件處理前后銅離子濃度

(c) 三維人工蒸騰器件穩(wěn)定的循環(huán)性能，處理鉛離子污染水50個循環(huán)，每個循環(huán)持續(xù)1h

(d) 照射時間內(nèi)純化水的輸出量

【小結(jié)】

該工作首次提出并實(shí)現(xiàn)了“人工蒸騰”結(jié)構(gòu)，突破傳統(tǒng)二維平面器件的局限，設(shè)計出三維的空心錐形結(jié)構(gòu)，大大緩解了器件在真實(shí)環(huán)境中對太陽光入射角的依賴性。同時，有效地降低了器件的蒸發(fā)溫度，進(jìn)而有效控制了熱對流和熱輻射的損耗?！叭斯ふ趄v”結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)勢是通過一維的供水通道有效控制熱傳導(dǎo)損耗，從而首次實(shí)現(xiàn)了無外界輔助、正常光照條件下85%以上的光-蒸汽轉(zhuǎn)換效率。在應(yīng)用層面，該工作首次將界面光-蒸汽轉(zhuǎn)換拓展到重金屬污水處理上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該技術(shù)不僅可以得到符合飲用標(biāo)準(zhǔn)的水，同時也可有效的回收重金屬（如金，銅等），為高效的太陽能光-熱（蒸汽）的利用和發(fā)展提供新的思路。