【引言】

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

【成果簡介】

南京大學現代工程與應用科學學院朱嘉教授課題組在高效界面光熱轉換領域做出了一系列工作：首先成功地實現了最黑等離激元吸收體的制備（Science Advances, 2, e1501227 (2016)）；在此基礎之上實現了首個基于等離激元增強效應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損耗問題；隨后通過二維水通道的設計來實現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際應用中太陽能入射角不斷變化帶來的光學損耗和熱學損耗（熱傳導，熱對流和熱輻射）問題并取得了很好的進展。這項最新的研究成果以“Three-dimensional artificial transpiration for efficient solar waste water treatment”為題發表于《國家科學評論》（National Science Review）。

【圖文導讀】

圖1 不同太陽能蒸汽發生器原理圖

(a) 傳統的光-熱(蒸汽)轉化器件示意圖

(b) 三維(3D)人工蒸騰器件示意圖

(c-e) 吸收體、水擴展層和一維水路徑的電鏡圖

圖2 不同的太陽能蒸汽發生器的溫度分布圖

(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，藍色線參考世界衛生組織的飲用水標準

(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定的循環性能，處理鉛離子污染水50個循環，每個循環持續1h

(d) 照射時間內純化水的輸出量

【小結】

該工作首次提出并實現了“人工蒸騰”結構，突破傳統二維平面器件的局限，設計出三維的空心錐形結構，大大緩解了器件在真實環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溫度，進而有效控制了熱對流和熱輻射的損耗。“人工蒸騰”結構的另一個優勢是通過一維的供水通道有效控制熱傳導損耗，從而首次實現了無外界輔助、正常光照條件下85%以上的光-蒸汽轉換效率。在應用層面，該工作首次將界面光-蒸汽轉換拓展到重金屬污水處理上。實驗結果表明：該技術不僅可以得到符合飲用標準的水，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）的利用和發展提供新的思路。