非聚集依赖等离子吸光体设计与高效太阳能海水淡化

太阳能蒸汽技术是利用太阳能诱导非沸腾水蒸汽，从而实现有效的海水淡化、水净化和微生物清除，被广泛认可为一种新型的可持续能源技术。在该项技术中，整个太阳能蒸汽系统的核心部件是太阳能光吸收器，而理想的太阳能光吸收器应满足以下几个必备条件：宽频带太阳光谱吸收、高光热转换效率 (PCE) 以及隔热的水运输属性。在过去的几年里，多种太阳能吸收体已经被设计和发展用于太阳能蒸汽，如碳基材料、金属纳米颗粒、半导体材料、有机材料和等离子体吸收体。尽管取得了大量可喜的发展与进步，但部分吸光体存在光谱响应窄、太阳能利用不足、制备工艺复杂、老化不稳定等缺点，极大地影响了该技术的实际应用与技术转化。众所周知，等离子体纳米材料包涵金、银、铜、铝等金属元素以其独特的光电性能在光热转换、光伏电池和太阳能蒸馏等领域引起了广泛的关注，且表面等离子体共振 (SPR)能有效地捕获和捕获太阳光子进行光热转换，因此展示良好的光捕获和转换性能。遗憾的是，这些吸光体大多吸收范围较窄，阻碍了其在太阳能转换中的广泛应用。前期研究表明，等离子体纳米粒子的紧密聚集或封闭分布是拓宽其光学吸收范围的有效途径，而另一种有效方法是采用自上向下方法制备等离子体结构。例如亚波长金属光栅阵列、金属间隙谐振器、微腔、微腔和纳米线束阵列。上述方法不仅对制备工艺提出了严格的要求，而且在操作过程中纳米结构之间的纳米尺度间隙可能发生的变化也对系统的稳定性构成了潜在的威胁。因此，发展新的策略用以实现全光谱吸收性能的等离子吸光体，成为当前的热点研究领域与重要科学问题。

近日，香港城市大学化学系的李振声（Chun-Sing LEE）教授（点击查看介绍）与李盛亮博士（点击查看介绍）报道了一种新型的等离子纳米颗粒吸光体并实现了高效的太阳能水蒸发。通过在单个纳米颗粒水平上操纵结构的各向异性而不是通过对纳米颗粒的聚集作用来实现非聚集性的等离子体吸收。该新型纳米吸光体不依靠纳米颗粒的聚集效应，从而实现对太阳光谱的良好吸收。通过构建三维多孔支架，在一个太阳光照 (1 kW m^-2) 照射下，该组件实现了稳定的太阳蒸汽且蒸发效率高达2.7 kg m^-2 h^-1，并取得了79.3%的太阳能转换效率。同时，该团队将等离子三维支架表面进行微孔阵列设计，有效地解决了海水淡化过程盐沉积难题，在此基础上实现了长时程的海水淡化和高效的离子清除性能。

图1. 等离子气溶胶用于水蒸气产生的示意图。

图2. 非聚集依赖的等离子纳米颗粒的制备及其光热性能表征。

首先，研究人员对该纳米颗粒的的形貌及其光学性质进行了表征。结果表明该纳米颗粒在手性模板的作用下，得到海参状的形貌。同时在紫外可见及其近红外光谱区有较强的吸收。此外，研究人员还研究了纳米粒子的光热性质。结果表明该纳米颗粒不仅有非常强的产热能力，而且具有非常好的稳定性。

图3. 等离子气溶胶的制备及其吸光性能和光热性能的表征。

鉴于其良好的光热性质，研究人员紧接着制备了等离子气溶胶，同时表征了气溶胶的微观结构、吸光性能、光热转换性能。

图4. 水蒸发实验装置及其表面温度分布。

此外，研究人员设计了水蒸发的装置，将制备的等离子气溶胶自由地漂浮在水面上，在外加光照的情况下，考察了等离子气溶胶的表面和深度温度分布。同时计算了在不同光照强度下的蒸发速度和水蒸发效率。

图5. 不同光照强度下的水蒸发速率及热转换效率。

图6. 微孔矩阵设计阻止盐沉积策略及海水纯化效果。

最后，研究人员研究了微孔设计在实际的海水淡化中的抗盐沉积性能，结果表明微孔设计可以起到明显的抗盐沉积效果。因此，该研究工作不仅提供了一种新型非聚集依赖的等离子体太阳吸光体，而且为开发高性能实际海水淡化技术及其污水处理技术提供了新思路。

相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A 上，该工作被列为Advanced Article, 同时被选作Back Cover。论文第一作者是香港城市大学的博士研究生黄钟明，论文共同通讯作者为李盛亮博士和李振声教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A broadband aggregation-independent plasmonic absorber for highly efficient solar steam generation

Zhongming Huang, Shengliang Li,* Xiao Cui, Yingpeng Wan, Yafang Xiao, Shuang Tian, Hui Wang, Xiaozhen Li, Qi Zhao, Chun-Sing Lee*

J. Mater. Chem. A, 2020, DOI: 10.1039/D0TA01980A

导师介绍

李盛亮博士：香港城市大学化学系Senior Research Associate (高级副研究员)。近年来主要致力于有机纳米光捕获材料的分子设计及其生物医学和环境健康领域的应用研究，并在相关领域发表SCI论文60余篇，其中以通讯/第一作者发表国际权威期刊论文20余篇，包括 Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Nano, Chem. Mater., Chem. Sci., Biomaterials等。个人H指数23，其中多篇研究论文被高频引用。多项研究成果被行业旗舰刊物highlights评述，并获得新闻和新媒体报道。申请国家发明专利8项、参与撰写2本纳米和材料领域书籍。

https://www.x-mol.com/university/faculty/78623

李振声教授：香港城市大学化学系系主任，材料化学讲座教授及香港城市大学超金刚石及先进薄膜研究中心(COSDAF)主任。主要研究领域包括：有机光电材料及器件，材料界面科学，纳米生物医学等。在相关领域发表SCI论文700余篇，被引用48000余次（H-index 111），著作5部，获准美国专利16项，已主持香港研资局优配研究基金、科技创新署与香港城市大学资助等的科研项目超过50余项。同时，担任国际期刊《Materials Today Energy》主编，《Thin Solid Films》的副编辑，Nature Publishing group-《Asian Materials》的顾问委员会成员，《Materials Today》和《Materials Research Express》及《Physica Status Solidi》多个国际期刊的编委会成员。

http://www.cityu.edu.hk/cosdaf/MemberProfiles/profilecslee.htm

https://www.x-mol.com/university/faculty/49758