太陽光-熱轉(zhuǎn)化是利用太陽能最簡單、有效的方式之一。利用太陽能進行海水淡化實際上是利用太陽能蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)，先將光能轉(zhuǎn)化為熱能，然后利用熱能來加熱水體，在水蒸發(fā)的過程中鹽離子和重金屬離子不會隨水蒸氣流失，從而達到海水淡化的過程。

同濟大學物理科學與工程學院納米多孔材料課題組通過對碳氣凝膠的不斷研究，發(fā)現(xiàn)其具有一些特殊的性質(zhì)，例如由其無序結(jié)構(gòu)和小尺寸導體效應(yīng)引起的與角度無關(guān)的、寬波段的強烈的光吸收(ACSNano,2016,10,9123-9128)，由等效開口諧振環(huán)導致的雙負特性(Carbon,2018,129,598-606)，以及小尺寸導體效應(yīng)引起的強烈的熱電子耦合增強光催化效應(yīng)(MRS.Comm.2018,8,521-526)等。

圖1.普通泡沫和超黑碳氣凝膠的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)圖及海水淡化示意圖。

近日，該課題組通過采用預冷凍技術(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)造小尺寸導體，從而產(chǎn)生強烈的熱電子效應(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，該材料實現(xiàn)了1個太陽的光照強度下87.51%的光熱轉(zhuǎn)化效率和1.37kg/m-2/h的水蒸發(fā)速率。該材料通過水蒸發(fā)的方式，可以進行海水淡化、硬水軟化和污水處理，且處理后的水質(zhì)能夠達到世衛(wèi)組織和衛(wèi)生部關(guān)于飲用水的標準。該工作以“Enhanced Photo thermal Conversion by Hot-Electron Effectin Ultra black Carbon Aerogel for Solar Steam Generation”為題發(fā)表在國際知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上(ACS Appl.Mater.Interfaces2019,11,42057-42065)。

圖2.超黑碳氣凝膠光熱轉(zhuǎn)化性能的標征。(a)孔徑分布;(b)吸收、透過光譜;(c，d)光熱轉(zhuǎn)化性能;(e)連續(xù)光照下的光-熱蒸汽產(chǎn)生速率對比;(f)應(yīng)用時材料表面溫度。

該工作提出的小尺寸導體引起的熱電子效應(yīng)，可以為設(shè)計其他高效的光熱轉(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，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。該工作受到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項、上海市特殊人工微結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)重點實驗室開放課題的支持。