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近幾十年來，淡水資源缺乏和能源危機已成為全球范圍兩個急需解決的問題。

占世界人(ren)口40％的80個國家嚴重缺水(shui)，預計到2025年(nian)，將有近三分之二(er)的國家陷(xian)入淡水(shui)短缺的困境(jing)。與此同時，全球能源現狀也令人(ren)擔憂，因為(wei)化石能源枯(ku)竭和使用(yong)化石燃料造成的環境(jing)污染(ran)困擾著人(ren)類。

為了(le)緩解淡水資(zi)源(yuan)的(de)短(duan)缺(que)以(yi)及(ji)能源(yuan)危(wei)機，人們對利用太(tai)(tai)陽(yang)能為代表的(de)綠色能源(yuan)來生產淡水和發電，充滿更高的(de)期待。但支撐這個美好愿景的(de)，是(shi)亟待攻克的(de)高效光(guang)熱轉換材料，它必須同時(shi)具備高太(tai)(tai)陽(yang)能吸(xi)收性、高光(guang)熱轉換性、低成本(ben)以(yi)及(ji)良好的(de)材料穩定性。

科技日報記者1月28日從云南大(da)學獲悉(xi)，該(gai)校萬艷芬、楊鵬團隊結合學科優(you)勢和區域產業優(you)勢，在制(zhi)備具有優(you)異光(guang)(guang)吸收(shou)性(xing)和更高(gao)光(guang)(guang)熱(re)轉換(huan)效率的(de)復合材料方(fang)面已經取得了實質性(xing)進(jin)展(zhan)，最新(xin)一期國際(ji)著(zhu)名(ming)期刊(kan)《納米能源(yuan)》（Nano Energy）發表了這一成果，并引發業界的(de)關注。

在稀貴金屬王國淬煉高效能光熱材料

數十年來，盡(jin)管(guan)科研工作者對(dui)不同的光(guang)熱材料進(jin)行了(le)廣泛(fan)的研究，并在(zai)有些區域形成了(le)產業集群。太(tai)陽能因為(wei)其清潔綠(lv)色環保可持續等(deng)特點(dian)，一直備受青睞。

“傳統(tong)(tong)(tong)的(de)太陽能集(ji)熱(re)(re)器(qi)裝(zhuang)置(zhi)，是以納米流體為集(ji)熱(re)(re)介質，它對太陽光輻射的(de)吸(xi)(xi)收(shou)有限，并(bing)且對外熱(re)(re)損失較(jiao)大(da)，導(dao)致光熱(re)(re)轉換(huan)效(xiao)(xiao)率很低，其(qi)實(shi)(shi)際(ji)(ji)應用非(fei)常受限。”云南大(da)學能源與材(cai)料學院副教授萬艷芬(fen)告訴記者，近年(nian)來(lai)“界面(mian)太陽能光蒸汽系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)”引起了研究者的(de)廣泛關(guan)注，該(gai)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)可以通過吸(xi)(xi)收(shou)器(qi)和蒸發器(qi)的(de)優(you)化構(gou)筑(zhu)，能夠實(shi)(shi)現高(gao)效(xiao)(xiao)水凈化處理，能源捕獲(huo)與熱(re)(re)管理，衛生(sheng)滅菌(jun)以及發電。光熱(re)(re)材(cai)料作為該(gai)轉換(huan)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)核心，其(qi)創新型構(gou)筑(zhu)尤為關(guan)鍵(jian)，如何設計(ji)和制(zhi)備優(you)異的(de)光熱(re)(re)材(cai)料以實(shi)(shi)現高(gao)效(xiao)(xiao)的(de)光蒸汽轉化，至(zhi)關(guan)重要。但由于其(qi)有限的(de)光熱(re)(re)轉換(huan)效(xiao)(xiao)率，傳統(tong)(tong)(tong)單組分材(cai)料還(huan)不(bu)能滿(man)足實(shi)(shi)際(ji)(ji)需要。

影響系(xi)統光(guang)熱轉換效率的(de)因(yin)素有(you)很(hen)多，光(guang)熱材(cai)料(liao)的(de)作用(yong)尤(you)為關鍵。云南(nan)大學(xue)萬艷芬研究組(zu)通過云南(nan)省創新推進的(de)稀(xi)貴(gui)金屬材(cai)料(liao)基因(yin)工程研發(fa)的(de)大數據和(he)高通量制備平臺，利用(yong)云南(nan)稀(xi)貴(gui)金屬原料(liao)富(fu)集、產業鏈(lian)完善的(de)優(you)勢，將等(deng)離子體貴(gui)金屬、半導體和(he)碳基材(cai)料(liao)復(fu)合，形成(cheng)了新材(cai)料(liao)研發(fa)思路(lu)。

“由(you)于(yu)三者的協同效應(ying)，使得金(jin)-鉬酸鉍-碳(tan)點復合材料具(ju)有(you)97.1%的光熱轉換效率。特別是金(jin)納米(mi)錐和(he)碳(tan)點的加入，由(you)于(yu)電(dian)子(zi)由(you)鉬酸鉍轉移到金(jin)錐和(he)碳(tan)點的表面，有(you)效地抑制了(le)鉬酸鉍中電(dian)子(zi)-空穴對的復合，從而極大地增(zeng)強了(le)材料的光熱性能。”云(yun)南大學(xue)材料與能源學(xue)院楊鵬(peng)副(fu)教授向記者介紹。

此(ci)外，將復合材(cai)料(liao)沉積在商(shang)用(yong)溫差發電片上，可制(zhi)成太陽(yang)能溫差發電器件(jian)。結(jie)果顯(xian)示，該器件(jian)具有增(zeng)強的熱(re)電性(xing)能，其輸出功率高(gao)達(da)每平(ping)方厘米(mi)97.4微瓦(wa)。這為高(gao)效(xiao)光(guang)熱(re)轉換材(cai)料(liao)的研究提(ti)供了重要實(shi)驗依據(ju)，同時也(ye)為海水淡化(hua)和新能源(yuan)器件(jian)及(ji)系統研發帶來新思路。

從植物王國的生物質材料獲取結構靈感

除了(le)材料的(de)組分，微妙的(de)結構也影響著光熱轉換的(de)效率(lv)。

作為21世(shi)紀發展新(xin)(xin)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)領(ling)域的(de)重大方向之一，仿生材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)研究將融入信(xin)息通信(xin)、人工智能、創新(xin)(xin)制(zhi)造等高(gao)新(xin)(xin)技術，逐漸使傳統(tong)意(yi)義上(shang)的(de)結(jie)構(gou)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)與功(gong)能材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)分界消(xiao)失，實現材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)智能化(hua)、信(xin)息化(hua)、結(jie)構(gou)功(gong)能一體化(hua)。此(ci)前，國內外研究新(xin)(xin)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)科學家，次第將視線(xian)投射到光熱反射效率較高(gao)的(de)結(jie)構(gou)領(ling)域，并從經過億(yi)萬(wan)年自然(ran)選(xuan)擇和進(jin)化(hua)的(de)溫帶(dai)(dai)、寒帶(dai)(dai)常見植物身上(shang)不(bu)斷獲得了靈感(gan)，試圖低成本、高(gao)效率制(zhi)造出(chu)新(xin)(xin)型材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)。

“雖然難得有出門旅(lv)行的(de)(de)機(ji)會，但我(wo)們(men)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)組的(de)(de)同(tong)學(xue)們(men)都千方百計在便利的(de)(de)情(qing)況(kuang)下找尋一些組織(zhi)結構特別的(de)(de)植物，回來后進(jin)行碳(tan)化處理，從而找到不同(tong)的(de)(de)結構，支持新(xin)復合材(cai)料結構的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)。”云南大學(xue)材(cai)料與能源學(xue)院研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)生耿(geng)學(xue)敏說(shuo)。

他們把常見的(de)(de)(de)玫瑰(gui)、玉米秸稈以及咖啡(fei)三種(zhong)生物質(zhi)碳(tan)化(hua)前后(hou)(hou)的(de)(de)(de)三維(wei)掃描圖(tu)像進(jin)(jin)(jin)行對(dui)比(bi)后(hou)(hou)發(fa)現(xian)，與咖啡(fei)碳(tan)材料(liao)的(de)(de)(de)三維(wei)雜亂和不(bu)規則形(xing)狀相比(bi)，花苞狀玫瑰(gui)碳(tan)材料(liao)的(de)(de)(de)內(nei)壁可(ke)以有效地對(dui)光(guang)進(jin)(jin)(jin)行全吸(xi)收，并在這(zhe)些受限空間內(nei)實(shi)現(xian)多(duo)級反射。“收集和利(li)用這(zhe)種(zhong)結(jie)構，是(shi)因為這(zhe)種(zhong)結(jie)構像一顆洋(yang)蔥(cong)頭，只(zhi)有一個(ge)很小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)開口，光(guang)進(jin)(jin)(jin)來之后(hou)(hou)，就被限制在這(zhe)個(ge)‘小(xiao)(xiao)口袋(dai)’里，光(guang)熱從小(xiao)(xiao)孔‘逃逸’出去的(de)(de)(de)幾率就要小(xiao)(xiao)很多(duo)，可(ke)以實(shi)現(xian)光(guang)的(de)(de)(de)不(bu)斷反射，從而(er)提高(gao)了光(guang)熱轉換效率。”萬艷芬說(shuo)。

同樣的(de)原理也適用于玉米秸稈中圓柱形通道(dao)微結(jie)構(gou)(gou)。“這(zhe)兩(liang)種(zhong)結(jie)構(gou)(gou)都能夠有效減(jian)少能量損失(shi)，因為花(hua)(hua)苞狀和圓柱壁可以減(jian)少受限(xian)空間內部(bu)的(de)熱(re)輻射(she)(she)損失(shi)，并且使光在空間內部(bu)進(jin)行(xing)反(fan)射(she)(she)減(jian)少損失(shi)。”楊鵬介紹，此外，在玫瑰粉末3D折疊花(hua)(hua)瓣(ban)狀結(jie)構(gou)(gou)中，也可觀(guan)察到光的(de)多(duo)(duo)重(zhong)反(fan)射(she)(she)，這(zhe)一結(jie)構(gou)(gou)與中國折紙相似，光進(jin)行(xing)多(duo)(duo)重(zhong)反(fan)射(she)(she)的(de)特殊結(jie)構(gou)(gou)面積(ji)，隨著(zhu)折疊花(hua)(hua)瓣(ban)結(jie)構(gou)(gou)的(de)增多(duo)(duo)而增大，可以獲(huo)得高達99%的(de)光吸(xi)收率。

玉米(mi)秸(jie)稈(gan)、玫瑰(gui)和(he)(he)咖啡碳(tan)材料的(de)(de)光熱轉換效(xiao)率分別(bie)可以達(da)到93.4%、92.8%和(he)(he)76%。由此可以看出，具(ju)有花(hua)苞狀(zhuang)結構(gou)的(de)(de)玫瑰(gui)碳(tan)粉和(he)(he)圓柱狀(zhuang)的(de)(de)玉米(mi)秸(jie)稈(gan)碳(tan)粉由于其微結構(gou)的(de)(de)存(cun)在可吸(xi)收(shou)更多的(de)(de)光而具(ju)有更高的(de)(de)光熱轉換效(xiao)率。經(jing)光熱性能測試，水蒸發率達(da)每(mei)平方米(mi)小時1.69千克。

但研究團隊并不止(zhi)簡單直接利用生物質材料的結(jie)構，而是(shi)加以提煉(lian)、簡化(hua)(hua)，使(shi)材料的結(jie)構更(geng)利于光熱(re)轉換效能的提升和(he)制備的便利化(hua)(hua)。

“獲得(de)植物組織的(de)(de)原始結構(gou)之后(hou)，我(wo)們還(huan)想加入(ru)納米材料，把納米材料的(de)(de)微觀序(xu)和生(sheng)物質(zhi)材料的(de)(de)宏觀序(xu)結合起來(lai)，能(neng)夠讓新材料與(yu)光(guang)相互作用的(de)(de)波(bo)長范(fan)圍拓展得(de)非常(chang)寬，也(ye)就(jiu)是說，形成兩個(ge)(ge)不同尺度的(de)(de)有序(xu)結構(gou)的(de)(de)組合。”萬(wan)艷(yan)芬說，如同漂亮的(de)(de)甲蟲、絢爛(lan)的(de)(de)蝴蝶或色彩(cai)繽紛的(de)(de)花朵，基于(yu)成分、結構(gou)，陽(yang)光(guang)會帶來(lai)了(le)豐富的(de)(de)變化(hua)，這(zhe)(zhe)也(ye)可以(yi)賦予材料更豐富的(de)(de)性能(neng)。這(zhe)(zhe)樣的(de)(de)話，未(wei)來(lai)一個(ge)(ge)小(xiao)小(xiao)的(de)(de)裝備，就(jiu)能(neng)就(jiu)解決多(duo)個(ge)(ge)應用的(de)(de)問(wen)題。

新型復合光熱材料應用前景廣闊

“與傳統的(de)(de)(de)單組分(fen)光熱材料(liao)如金(jin)、銀、二硫化鉬、碳納(na)米管、石(shi)墨烯(xi)等(deng)相(xiang)比較(jiao)，我們(men)所制(zhi)備材料(liao)的(de)(de)(de)特點主要(yao)表現(xian)在兩方面(mian)：多元(yuan)材料(liao)的(de)(de)(de)復合以及將生(sheng)物質廢料(liao)變廢為寶(bao)。”萬艷芬向記者介紹，他們(men)已成功制(zhi)備的(de)(de)(de)金(jin)-鉬酸(suan)鉍-碳點、硫化鉍-鈀等(deng)，是雜化多種(zhong)材料(liao)組元(yuan)以獲(huo)(huo)得(de)的(de)(de)(de)復合材料(liao)，通過多元(yuan)材料(liao)之間的(de)(de)(de)協同作用，獲(huo)(huo)得(de)具(ju)有窄帶隙的(de)(de)(de)光熱材料(liao)，表現(xian)出優于單組分(fen)甚至(zhi)單組分(fen)所不具(ju)備的(de)(de)(de)新生(sheng)性能，進而提升(sheng)光熱轉換效(xiao)(xiao)率；另一方面(mian)對成本(ben)低廉(lian)、易獲(huo)(huo)得(de)且環境友好型(xing)生(sheng)物質廢料(liao)進行碳化處理，仍然(ran)保持(chi)其獨特的(de)(de)(de)原(yuan)生(sheng)微結構，可以進行高效(xiao)(xiao)光吸收和水運輸，獲(huo)(huo)得(de)出色(se)的(de)(de)(de)光熱轉換效(xiao)(xiao)果，賦予了材料(liao)設(she)計思(si)路較(jiao)大(da)的(de)(de)(de)新穎(ying)性和創新途(tu)徑。

此前(qian)，傳統的(de)(de)光熱(re)(re)轉換材(cai)料就只考慮光熱(re)(re)這一(yi)項(xiang)，比如說通(tong)過(guo)光照，就有集熱(re)(re)的(de)(de)性能，但現在(zai)，他(ta)(ta)們正(zheng)試圖往多功能集成方面去(qu)發展，不僅具有基本的(de)(de)光熱(re)(re)轉換功能，還需要(yao)同時兼容(rong)其他(ta)(ta)功能。

由于擁(yong)有(you)卓(zhuo)越的集熱性(xing)能(neng)，具有(you)優異良(liang)好(hao)光熱轉(zhuan)換(huan)效果(guo)的復(fu)合材料和生(sheng)物質碳材料可(ke)以應用在(zai)海水淡(dan)(dan)化、溫(wen)差(cha)發電(dian)、水伏發電(dian)、濕度發電(dian)等(deng)方(fang)面，為(wei)解決能(neng)源危機、緩(huan)解淡(dan)(dan)水資源短缺(que)等(deng)問題(ti)提供了新(xin)的思路和解決方(fang)法。“在(zai)海防和遠洋實驗中，新(xin)材料可(ke)為(wei)海上浮標提供能(neng)源，而不必再耗(hao)時(shi)耗(hao)力去更換(huan)電(dian)池。這些成果(guo)正(zheng)在(zai)逐(zhu)步推廣和應用。”萬艷芬(fen)介紹說(shuo)。

此外(wai)，隨(sui)著研(yan)究的發展(zhan)和(he)深(shen)入，研(yan)究團隊還(huan)在生物(wu)質碳(tan)材料(liao)以(yi)及復合材料(liao)等(deng)在發電(dian)、人(ren)體可穿戴健康(kang)檢測(ce)傳(chuan)感器等(deng)方面看(kan)到了(le)廣(guang)泛的應用(yong)空間和(he)潛(qian)力。

“如復合了(le)(le)光熱材料的(de)(de)(de)聚丙烯酰胺-聚丙烯酸水凝膠(jiao)，就表(biao)現出(chu)了(le)(le)出(chu)色的(de)(de)(de)可(ke)塑性、彈性以及(ji)穩定的(de)(de)(de)應(ying)變-電(dian)壓響應(ying)，我們把它(ta)佩戴(dai)到(dao)多名參測人員(yuan)的(de)(de)(de)指關節(jie)上(shang)，顯示了(le)(le)高靈敏度的(de)(de)(de)傳感能(neng)力，可(ke)實時監測人體肌肉力量(liang)和(he)關節(jie)健康(kang)狀況(kuang)。”耿學(xue)敏說，他(ta)們還制(zhi)備(bei)了(le)(le)集(ji)合太(tai)陽能(neng)蒸汽轉換(huan)，溫差發(fa)電(dian)和(he)可(ke)穿戴(dai)傳感的(de)(de)(de)器件級多功(gong)能(neng)集(ji)成系統。在飛速發(fa)展的(de)(de)(de)物聯網時代，這些新(xin)材料為(wei)自驅動的(de)(de)(de)多功(gong)能(neng)集(ji)成設備(bei)提供了(le)(le)新(xin)的(de)(de)(de)設計(ji)思路和(he)啟發(fa)。