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(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)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(dǎo)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(dǎo)致的雙負特性(Carbon,2018,129,598-606)，以及小尺寸導(dǎo)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(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(dǎo)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(xué)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。