华侨大学蒋妮娜 AFM：Janus微纳米结构耦合光热转换、热局域和水供应以实现高效太阳能驱动的界面蒸发

2023-06-26 来源：高分子科技

太阳能驱动的界面蒸发是一种绿色、环保、低碳的淡水生产技术。此项技术的实现取决于太阳能界面光蒸汽转换器的合理设计与构建。太阳能驱动的界面蒸发器通常由三个部分组成：将太阳能转化为热能的太阳光吸收体；将太阳光吸收体所产生的热能定位于在空气/水界面的隔热体；能够将水运输至太阳能加热区域的供水体。为了获得高效的太阳能-蒸汽转换，这三个组分的材料与结构的设计需考虑在空气/水界面处协同促进光热转换、热局域和水供应，即存在协同相互关系。然而，到目前为止，如何在供水体的表面构建具有协同作用的太阳光吸收体和隔热体仍然是太阳能界面蒸发器设计开发中的一项具有挑战性的课题。

近年来，具有等离激元特性的金属纳米晶被广泛用于太阳能界面蒸发器的光吸收体。对于单一组分等离激元金属纳米晶（例如金、银）来说，它们在太阳光谱中往往呈现窄带吸收。为了获得高的太阳能利用率，研究者们通常采用具有宽带光学吸收的等离激元金属纳米晶聚集体作为太阳能光蒸汽转换器的光吸收体。然而，由于等离激元金属纳米晶体的光热转换效率随自身尺寸的增大而减小，因此等离激元金属纳米晶的聚集不可避免地带来了光热转换效率的降低。此外，组建聚集体还需要高金属纳米晶用量，这也不利于蒸发器的成本控制和实践推广。因此，如何解决使用金属纳米晶聚集体所面临的光吸收带宽与光热转换效率的调控矛盾，以及如何有效控制金属纳米晶的用量是目前基于等离激元金属纳米晶的太阳能界面蒸发器研究亟待解决的关键问题。

基于上述两个问题，华侨大学蒋妮娜课题组联合中山大学邵磊课题组提出在供水体表面构建金银钯/聚苯乙烯Janus纳微结构，从而构建出有效耦合光热转换、热局域和水供应的新型的二维界面太阳能蒸发器（图1）。以金纳米棒为核心合成金银钯纳米晶作为光吸收体（图2），在实现光吸收带宽与光热转换效率并举的同时有效降低了金属纳米晶的用量。Janus纳微结构作为光吸收体和隔热体，在提供微米尺度内的热局域的同时（图3），通过聚苯乙烯的近场散射增强了Au@Ag-Pd纳米晶的光吸收（图4）。此外，Janus纳微结构将供水体表面分隔出多个具有亚微米深度的小供水区。这些小供水区的存在、单向供水体中聚乙烯醇组分与水分子之间的氢键共同导致了所构建的太阳能界面蒸发器表面水的蒸发焓的降低（图5）。通过控制供水体的组分比例来调控供水量，从而获得了供水量与光热转换所产生的热量之间的平衡。由于光吸收体、隔热体和供水体的协同作用，在1个太阳照明下，蒸发器对纯水的太阳能界面蒸发实现了99.1%的太阳能-水蒸气转换效率和3.04 kg m^-² h^-¹的蒸发速率（图5）。此蒸发性能优于目前已报道的基于贵金属纳米晶的太阳能蒸发器和流动蒸发器的性能，并且蒸发器所用的贵金属用量相对较低（0.027 mg cm^?2）。在一个太阳光的光照条件下，蒸发器对高浓度盐水、厦门海域海水都表现较为稳定的蒸发速率（图6）。此外，蒸发器的海水淡化性能优异，除盐率接近100%（图6）。

图1 本文所设计和构建的界面太阳能蒸发器结构的示意图

图2 Au@Ag-Pd NSs的合成、光学特性及光热转换性能

图3 Au@Ag-Pd/PS Janus纳微米结构的合成及光学特性

图4 负载于多孔PVA薄膜表面的Au@Ag-Pd/PS Janus 纳微米结构的光热与热局域性能

图5光热转换、热局域和水供应的耦合对蒸发性能的影响

图6 有效耦合了光热转换、热局域和供水的蒸发器在不同光照条件下蒸发性能和稳定性

图7 蒸发器的太阳能海水淡化性能

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为题发表在国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上。华侨大学化工学院硕士研究生陈中毅为本论文的第一作者，华侨大学蒋妮娜副教授、中山大学邵磊教授为本文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、福建省杰出青年科学基金等项目的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303656

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（责任编辑：xu）

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