澳门新葡亰平台游戏app新材料实现高效太阳能海水淡化,高效太阳能海水淡化

现代工学院朱嘉教授课题组在高效太阳能海水淡化方面取得重要进展,相关研究成果以《3D
self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon-enhanced solar
desalination》为题发表于Nature Photonics上(DOI:
10.1038/NPHOTON.2016.75)。现代工程与应用科学学院副研究员周林与硕士生谭颖玲为论文的共同第一作者,朱嘉教授是论文的通讯作者,本项研究受到了祝世宁院士的指导与支持。

澳门新葡亰平台游戏app,记者日前从南京大学获悉,由该校教授、中科院院士祝世宁领导的基金委创新团队成员、现代工程与应用科学学院教授朱嘉及其课题组,在高效太阳能海水淡化材料研究方面取得重要进展。相关成果日前发表于《自然—光子学》杂志。

随着人类社会的发展和生活水平的不断提高,淡水资源形势日益严峻,海水淡化作为获取淡水的有效方法之一,引起广泛关注。然而目前传统的海水淡化装置消耗大量热能或电能,碳排放量大、装置体积庞大,且淡化效率、效果均有待提高。利用太阳能光蒸馏的海水淡化技术低碳环保,然而多年来一直受限于较低的光热转换效率而无法大规模应用。朱嘉课题组在国际上首次利用等离激元增强效应实现了高效太阳能海水淡化(能量传递效率~90%,淡化前后盐度降低4个数量级)。该研究发现,三维铝颗粒等离激元黑体材料是实现高效率太阳能海水淡化的绝佳体系,图1给出铝颗粒黑体材料用于等离激元增强太阳能海水淡化的设计示意图。首先,等离激元铝黑体材料具有宽太阳光谱超高光吸收效率(在400-2500nm宽太阳光谱范围平均吸收效率>96%),确保了海水淡化过程中光热转换效率大大提高;其次,铝纳米颗粒的局域等离激元光学共振效应使得漂浮在水面的紧密排列的铝颗粒附近区域产生极高的局部温度和电磁场增强效应,非常有利于快速有效的淡水蒸汽产生,多孔结构又提供了有效的蒸汽逃离通道。最后,铝颗粒等离激元黑体材料制备采用低成本金属铝为唯一原材料,采用了简单可规模化生产的自组装制备方法,且材料的淡化性能表现出良好的稳定性和耐用性,这对高效率太阳能海水淡化技术的实用化将产生重要的意义。

据了解,随着全球水资源日趋紧张,包括含盐地下水在内的海水淡化作为一种获取淡水的有效方法,受到广泛关注。然而,传统的海水淡化装置存在体积庞大、耗能高、碳排放量大、淡化效率低等问题。利用太阳能蒸馏的海水淡化技术虽低碳环保,但受限于光热转换效率较低,无法大规模应用。朱嘉课题组在国际上首次利用金属纳米等离激元增强效应实现了高效太阳能海水淡化,其能量传递效率约90%,淡化前后盐度降低4个数量级。

该项研究得到了国家重点基础研究计划(青年“973”),国家自然科学基金委群体及面上项目,中央高校基本科研业务费专项资金,江苏省优势学科等项目的资助。

研究人员发现,三维铝纳米颗粒等离激元黑体材料是实现高效率太阳能海水淡化的绝佳体系。该材料具有超宽太阳光谱高光吸收效率,在400~2500纳米太阳光谱范围内平均吸收效率大于96%,确保了海水淡化过程中太阳能的高效利用。在实际工作中,这种紧密排列的金属纳米颗粒薄膜漂浮在海水表面,纳米颗粒的局域等离激元增强效应则使得膜液交界面的表层海水快速升温,产生淡水蒸汽,而膜上的多孔结构又为蒸汽逃逸提供了有效的通道。经测量,利用该材料淡化后的水质优于世界卫生组织可饮用水的标准。

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同时,纳米铝颗粒等离激元黑体薄膜材料的制备以成本低廉的金属铝为唯一原材料,并且采用简单、可规模化生产的自组装制备方法,便于推广应用。美国《科学》杂志以“新的水纯化系统可为世界解渴”为题,高度评价了此项工作。相关专家表示,这种材料对低成本高效率太阳能海水淡化技术的大规模应用具有重要意义。

图1. 等离激元增强太阳能海水淡化的设计示意图

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图2. 三维铝颗粒等离激元黑体自组装工艺与组装前后光学照片对比图

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

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