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華僑大學(xué)蔣妮娜 AFM：Janus微納米結(jié)構(gòu)耦合光熱轉(zhuǎn)換、熱局域和水供應(yīng)以實現(xiàn)高效太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)
2023-06-26  來源：高分子科技

  太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)是一種綠色、環(huán)保、低碳的淡水生產(chǎn)技術(shù)。此項技術(shù)的實現(xiàn)取決于太陽能界面光蒸汽轉(zhuǎn)換器的合理設(shè)計與構(gòu)建。太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)器通常由三個部分組成：將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的太陽光吸收體；將太陽光吸收體所產(chǎn)生的熱能定位于在空氣/水界面的隔熱體；能夠?qū)⑺\輸至太陽能加熱區(qū)域的供水體。為了獲得高效的太陽能-蒸汽轉(zhuǎn)換，這三個組分的材料與結(jié)構(gòu)的設(shè)計需考慮在空氣/水界面處協(xié)同促進光熱轉(zhuǎn)換、熱局域和水供應(yīng)，即存在協(xié)同相互關(guān)系。然而，到目前為止，如何在供水體的表面構(gòu)建具有協(xié)同作用的太陽光吸收體和隔熱體仍然是太陽能界面蒸發(fā)器設(shè)計開發(fā)中的一項具有挑戰(zhàn)性的課題。


  近年來，具有等離激元特性的金屬納米晶被廣泛用于太陽能界面蒸發(fā)器的光吸收體。對于單一組分等離激元金屬納米晶（例如金、銀）來說，它們在太陽光譜中往往呈現(xiàn)窄帶吸收。為了獲得高的太陽能利用率，研究者們通常采用具有寬帶光學(xué)吸收的等離激元金屬納米晶聚集體作為太陽能光蒸汽轉(zhuǎn)換器的光吸收體。然而，由于等離激元金屬納米晶體的光熱轉(zhuǎn)換效率隨自身尺寸的增大而減小，因此等離激元金屬納米晶的聚集不可避免地帶來了光熱轉(zhuǎn)換效率的降低。此外，組建聚集體還需要高金屬納米晶用量，這也不利于蒸發(fā)器的成本控制和實踐推廣。因此，如何解決使用金屬納米晶聚集體所面臨的光吸收帶寬與光熱轉(zhuǎn)換效率的調(diào)控矛盾，以及如何有效控制金屬納米晶的用量是目前基于等離激元金屬納米晶的太陽能界面蒸發(fā)器研究亟待解決的關(guān)鍵問題。


  基于上述兩個問題，華僑大學(xué)蔣妮娜課題組聯(lián)合中山大學(xué)邵磊課題組提出在供水體表面構(gòu)建金銀鈀/聚苯乙烯Janus納微結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建出有效耦合光熱轉(zhuǎn)換、熱局域和水供應(yīng)的新型的二維界面太陽能蒸發(fā)器（圖1）。以金納米棒為核心合成金銀鈀納米晶作為光吸收體（圖2），在實現(xiàn)光吸收帶寬與光熱轉(zhuǎn)換效率并舉的同時有效降低了金屬納米晶的用量。Janus納微結(jié)構(gòu)作為光吸收體和隔熱體，在提供微米尺度內(nèi)的熱局域的同時（圖3），通過聚苯乙烯的近場散射增強了Au@Ag-Pd納米晶的光吸收（圖4）。此外，Janus納微結(jié)構(gòu)將供水體表面分隔出多個具有亞微米深度的小供水區(qū)。這些小供水區(qū)的存在、單向供水體中聚乙烯醇組分與水分子之間的氫鍵共同導(dǎo)致了所構(gòu)建的太陽能界面蒸發(fā)器表面水的蒸發(fā)焓的降低（圖5）。通過控制供水體的組分比例來調(diào)控供水量，從而獲得了供水量與光熱轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的熱量之間的平衡。由于光吸收體、隔熱體和供水體的協(xié)同作用，在1個太陽照明下，蒸發(fā)器對純水的太陽能界面蒸發(fā)實現(xiàn)了99.1%的太陽能-水蒸氣轉(zhuǎn)換效率和3.04 kg m-2 h-1的蒸發(fā)速率（圖5）。此蒸發(fā)性能優(yōu)于目前已報道的基于貴金屬納米晶的太陽能蒸發(fā)器和流動蒸發(fā)器的性能，并且蒸發(fā)器所用的貴金屬用量相對較低（0.027 mg cm?2）。在一個太陽光的光照條件下，蒸發(fā)器對高濃度鹽水、廈門海域海水都表現(xiàn)較為穩(wěn)定的蒸發(fā)速率（圖6）。此外，蒸發(fā)器的海水淡化性能優(yōu)異，除鹽率接近100%（圖6）。 


圖1 本文所設(shè)計和構(gòu)建的界面太陽能蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的示意圖 


圖2 Au@Ag-Pd NSs的合成、光學(xué)特性及光熱轉(zhuǎn)換性能


 圖3 Au@Ag-Pd/PS Janus納微米結(jié)構(gòu)的合成及光學(xué)特性


 圖4 負載于多孔PVA薄膜表面的Au@Ag-Pd/PS Janus 納微米結(jié)構(gòu)的光熱與熱局域性能


 圖5光熱轉(zhuǎn)換、熱局域和水供應(yīng)的耦合對蒸發(fā)性能的影響


 圖6 有效耦合了光熱轉(zhuǎn)換、熱局域和供水的蒸發(fā)器在不同光照條件下蒸發(fā)性能和穩(wěn)定性


 圖7 蒸發(fā)器的太陽能海水淡化性能


  以上研究成果以Janus nano-micro structure-enabled coupling of photothermal conversion, heat localization and water supply for high-efficiency solar-driven interfacial evaporation為題發(fā)表在國際著名期刊《Advanced Functional Materials》上。華僑大學(xué)化工學(xué)院碩士研究生陳中毅為本論文的第一作者，華僑大學(xué)蔣妮娜副教授、中山大學(xué)邵磊教授為本文的通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金、福建省杰出青年科學(xué)基金等項目的資助。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303656

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