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太(tai)陽(yang)光-熱(re)(re)(re)(re)轉(zhuan)化(hua)是利(li)(li)用太(tai)陽(yang)能最(zui)簡單(dan)、有效的(de)(de)方(fang)式之一(yi)。利(li)(li)用太(tai)陽(yang)能進行海水淡化(hua)實際上是利(li)(li)用太(tai)陽(yang)能蒸汽產生系統，先(xian)將(jiang)光能轉(zhuan)化(hua)為熱(re)(re)(re)(re)能，然后利(li)(li)用熱(re)(re)(re)(re)能來加熱(re)(re)(re)(re)水體(ti)，在水蒸發(fa)的(de)(de)過程中鹽離(li)子和重金屬離(li)子不會隨水蒸氣流(liu)失，從而達到海水淡化(hua)的(de)(de)過程。

同濟大學(xue)物理科學(xue)與(yu)工(gong)程學(xue)院納米多孔材料(liao)課題(ti)組通過對碳(tan)氣(qi)凝膠(jiao)的(de)(de)不斷(duan)研究(jiu)，發現其(qi)具有一些特殊的(de)(de)性(xing)質，例如由其(qi)無序結構和小尺寸(cun)導(dao)體效應(ying)引(yin)起的(de)(de)與(yu)角度無關的(de)(de)、寬波段(duan)的(de)(de)強(qiang)烈(lie)的(de)(de)光吸收（ACSNano,2016,10,9123-9128），由等效開(kai)口諧振(zhen)環導(dao)致的(de)(de)雙負特性(xing)(Carbon,2018,129,598-606)，以及小尺寸(cun)導(dao)體效應(ying)引(yin)起的(de)(de)強(qiang)烈(lie)的(de)(de)熱電子耦(ou)合增強(qiang)光催化效應(ying)(MRS.Comm.2018,8,521-526)等。

圖(tu)(tu)1.普(pu)通泡(pao)沫和超黑碳氣凝(ning)膠的宏(hong)觀和微觀結構圖(tu)(tu)及海水淡化示意圖(tu)(tu)。

近日，該課題組通過采(cai)用(yong)(yong)預冷凍技術結(jie)合碳(tan)化(hua)(hua)工(gong)(gong)藝，制備了集大孔、介(jie)孔和(he)微孔結(jie)構于(yu)(yu)一體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)黑碳(tan)氣(qi)凝膠。材(cai)料中垂(chui)直的(de)(de)(de)(de)(de)大孔結(jie)構有(you)利于(yu)(yu)水蒸氣(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)運輸(shu)；介(jie)孔結(jie)構有(you)利于(yu)(yu)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)保溫隔(ge)熱(re)；而微孔結(jie)構可(ke)(ke)以(yi)(yi)構造(zao)小尺寸導體(ti)，從而產(chan)生強烈的(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)電子效應，最(zui)(zui)終提高光(guang)(guang)熱(re)轉化(hua)(hua)效率(lv)(lv)。除此之外，通過物理(li)活化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)方法(fa)可(ke)(ke)以(yi)(yi)在材(cai)料原有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)骨架上造(zao)出新的(de)(de)(de)(de)(de)微孔結(jie)構。最(zui)(zui)終，該材(cai)料實現了1個太陽的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)照(zhao)強度(du)下87.51%的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)熱(re)轉化(hua)(hua)效率(lv)(lv)和(he)1.37kg/m-2/h的(de)(de)(de)(de)(de)水蒸發(fa)(fa)速(su)率(lv)(lv)。該材(cai)料通過水蒸發(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)方式，可(ke)(ke)以(yi)(yi)進行(xing)海水淡化(hua)(hua)、硬水軟化(hua)(hua)和(he)污水處理(li)，且處理(li)后的(de)(de)(de)(de)(de)水質能夠達到(dao)世(shi)衛組織(zhi)和(he)衛生部關于(yu)(yu)飲用(yong)(yong)水的(de)(de)(de)(de)(de)標準。該工(gong)(gong)作以(yi)(yi)“Enhanced Photo thermal Conversion by Hot-Electron Effectin Ultra black Carbon Aerogel for Solar Steam Generation”為題發(fa)(fa)表在國際知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上（ACS Appl.Mater.Interfaces2019,11,42057-42065）。

圖2.超(chao)黑(hei)碳氣凝(ning)膠光(guang)熱(re)轉(zhuan)化性能的(de)標征。（a）孔徑分布；（b）吸收、透過光(guang)譜；（c，d）光(guang)熱(re)轉(zhuan)化性能；（e）連續(xu)光(guang)照下的(de)光(guang)-熱(re)蒸(zheng)汽(qi)產生速率對比；（f）應用時材料表面溫度。

該工作提(ti)出的(de)小尺寸導體引(yin)起的(de)熱電子效應，可(ke)以(yi)為設計其他高效的(de)光熱轉化器件提(ti)供一條(tiao)新的(de)思(si)路。該論文的(de)第(di)一作者(zhe)(zhe)是博(bo)士(shi)生汪宏強，通訊作者(zhe)(zhe)為杜艾副教(jiao)授，課(ke)題組(zu)周斌、張志華、沈軍、張晨、姬秀潔等(deng)師生也(ye)參與(yu)(yu)了(le)該工作。該工作受到了(le)國家自然科學基金、國家重點研發計劃“納米科技(ji)”重點專項(xiang)、上海市特(te)殊(shu)人工微結(jie)構材料與(yu)(yu)技(ji)術(shu)重點實驗室(shi)開放課(ke)題的(de)支持。