太陽(yáng)光-熱轉(zhuǎn)化是利用太陽(yáng)能(3.660, -0.02, -0.54%)最簡(jiǎn)單、有效的方式之一。利用太陽(yáng)能進(jìn)行海水淡化實(shí)際上是利用太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)，先將光能轉(zhuǎn)化為熱能，然后利用熱能來(lái)加熱水體，在水蒸發(fā)的過(guò)程中鹽離子和重金屬離子不會(huì)隨水蒸氣流失，從而達(dá)到海水淡化的過(guò)程。
同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院納米多孔材料課題組通過(guò)對(duì)碳?xì)饽z的不斷研究，發(fā)現(xiàn)其具有一些特殊的性質(zhì)，例如由其無(wú)序結(jié)構(gòu)和小尺寸導(dǎo)體效應(yīng)引起的與角度無(wú)關(guān)的、寬波段的強(qiáng)烈的光吸收(ACS Nano, 2016, 10, 9123-9128)，由等效開(kāi)口諧振環(huán)導(dǎo)致的雙負(fù)特性 (Carbon, 2018, 129, 598-606)，以及小尺寸導(dǎo)體效應(yīng)引起的強(qiáng)烈的熱電子耦合增強(qiáng)光催化效應(yīng) (MRS. Comm. 2018, 8, 521-526)等。
近日，該課題組通過(guò)采用預(yù)冷凍技術(shù)結(jié)合碳化工藝，制備了集大孔、介孔和微孔結(jié)構(gòu)于一體的超黑碳氣凝膠。材料中垂直的大孔結(jié)構(gòu)有利于水蒸氣的運(yùn)輸;介孔結(jié)構(gòu)有利于材料的保溫隔熱;而微孔結(jié)構(gòu)可以構(gòu)造小尺寸導(dǎo)體，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱電子效應(yīng)，最終提高光熱轉(zhuǎn)化效率。除此之外，通過(guò)物理活化的方法可以在材料原有的骨架上造出新的微孔結(jié)構(gòu)。最終，該材料實(shí)現(xiàn)了1個(gè)太陽(yáng)的光照強(qiáng)度下87.51%的光熱轉(zhuǎn)化效率和1.37kg/m-2/h的水蒸發(fā)速率。該材料通過(guò)水蒸發(fā)的方式，可以進(jìn)行海水淡化、硬水軟化和污水處理，且處理后的水質(zhì)能夠達(dá)到世衛(wèi)組織和衛(wèi)生部關(guān)于飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。該工作以“Enhanced Photothermal Conversion by Hot-Electron Effect in Ultrablack Carbon Aerogel for Solar Steam Generation”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上(ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 42057-42065)。
該工作提出的小尺寸導(dǎo)體引起的熱電子效應(yīng)，可以為設(shè)計(jì)其他高效的光熱轉(zhuǎn)化器件提供一條新的思路。該論文的第一作者是博士生汪宏強(qiáng)，通訊作者為杜艾副教授，課題組周斌、張志華、沈軍、張晨、姬秀潔等師生也參與了該工作。該工作受到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)、上海市特殊人工微結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題的支持。
參考文獻(xiàn)：
1. Sun, W.; Du, A.; Feng, Y.; Shen, J.; Huang, S.; Tang, J.; Zhou, B., Super Black Material from Low-Density Carbon Aerogels with Subwavelength Structures. ACS Nano 2016. 10, 9123-9128.
2. Xie, P.; Sun, W.; Liu, Y.; Du, A.; Zhang, Z.; Wu, G.; Fan, R., Carbon aerogels towards new candidates for double negative metamaterials of low density. Carbon 2018, 129, 598-606.
3. Wang, H.; He, X.; Zhou, B.; Shen, J.; Du, A., Hot electrons coupling-enhanced photocatalysis of super black carbon aerogels/titanium oxide composite. MRS Communications 2018, 8 , 521-526.
4. Du, A.; Wang, H.; Zhou, B.; Zhang, C.; Wu, X.; Ge, Y.; Niu, T.; Ji, X.; Zhang, T.; Zhang, Z.; Wu, G.; Shen, J., Multifunctional Silica Nanotube Aerogels Inspired by Polar Bear Hair for Light Management and Thermal Insulation. Chemistry of Materials 2018. 30, 6849-6857.
5. Hongqiang Wang, C. Z., Bin Zhou ,Zhihua Zhang, Jun Shen, Ai Du., Ultra-black [email protected] core-shell aerogels with controllable electrical conductivities. Advanced Composites and Hybrid Materials 2019. https://doi.org/10.1007/s42114-019-00123-6.
6. Wang, H.; Du, A.; Ji, X.; Zhang, C.; Zhou, B.; Zhang, Z.; Shen, J., Enhanced Photothermal Conversion by Hot-Electron Effect in Ultrablack Carbon Aerogel for Solar Steam Generation. ACS Appl Mater Interfaces 2019, 11, 42057?42065.
