第一作者：陈中毅
通讯作者：蒋妮娜，邵磊
通讯单位：华侨大学、中山大学
DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202303656
光热转换、热局部化和水供应是实现高效太阳能驱动界面蒸发的关键。然而，在水/气界面上有效耦合这三个方面仍然具有挑战性。鉴于此，本文首先以金纳米棒为内核合成了具有太阳光热转换性能的金银钯三元金属纳米晶（Au@Ag-Pd），然后将其负载于聚苯乙烯（PS）微球的上部以形成Janus纳微结构，进一步将此Janus纳微结构负载于供水体表面以构建出新型的二维太阳能界面蒸发器（图1）。PS微球不仅提供了微米尺度内的热局域，而且通过近场散射增强了Au@Ag-Pd纳米晶的光吸收。此外，Au@Ag-Pd/PS Janus纳微结构在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。通过控制供水体的组分比例来调控供水量，从而获得供水量与光热转换所产生的热量之间的平衡。正是由于各组件的上述协同作用，太阳能界面蒸发器在1个太阳照明下，对纯水的太阳能-蒸汽转换效率高达99.1%，蒸发速率达到了3.04 kg m−2 h−1，同时蒸发器的这种高效蒸发可持续40 h以上。此外，太阳能界面蒸发器表现出优异的海水淡化性能，除盐率接近于100%。
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
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，同时实现热能与供水量之间的最佳平衡。在目前关于二维太阳能界面蒸发器的研究报道中，太阳光吸收体通常被负载于具有多孔的支撑体的上部或孔隙内壁（图2a）。除了具有供水体的功能，多孔支撑体还可利用多重散射或内反射来提升太阳光吸收体的光吸收能力。然而，在蒸发过程中多孔支撑体的导热率因水的向上运输而发生下降，这意味着存在自蒸发表面向下方水体的热传导，无法实现高效的热局域。为了解决这个问题，闭孔的隔热材料作为隔热体被引入太阳能界面蒸发器中（图2b）。同时在此太阳能界面蒸发器的隔热体和太阳光吸收体之间引入具有供水能力的亲水纤维(图2b)。这样的蒸发器设计虽然考虑了各组件的独立性，却忽略了蒸发器组件之间的协同作用，这也意味着无法实现光热转换、热局域以及水供应的有效耦合。到目前为止，如何在太阳能界面蒸发器的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一项具有挑战性的课题。
图2 太阳能界面蒸发器的结构设计中的光热转换、热局域和水供应耦合的示意图
等离激元金属纳米晶是目前典型光热转换材料。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。
（1）合成了三元贵金属/聚苯乙烯Janus纳微米结构。此Janus纳微结构提供了近场散射增强的光吸收和亚微米级热局域。
（2）通过在供水体表面负载由光吸收体和隔热体的Janus纳微结构以构建新型二维太阳能蒸发器。所构建的蒸发器的光吸收体、隔热体以及供水体之间存在协同作用，进而实现了在水/空气界面附近的光热转换、热局域以及水供应的有效耦合。
（3）在1个太阳照明的条件下，蒸发器所表现出包括太阳能-蒸汽转换效率（99.1%）和蒸发速率（3.04 kg m−2 h−1）在内的蒸发性能均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）。
（4）蒸发器在1个太阳照明下和10 wt% NaCl 溶液中所表现出的蒸发速率(2.35 kg m−2h−1)高于目前已报道的在相同光照条件下没有其他能量输入的2D界面蒸发器的速率。
（5）蒸发器的成本价格为43.29美元/m−2，低于许多基于非金属类蒸发器，例如基于石墨烯气凝胶的蒸发器。
图3 Au@Ag-Pd NSs的合成、光学特性及光热转换性能
作者利用胶体种子生长法和原位生长法合成Au@Ag-Pd NSs（图3a）。通过调控银壳层的厚度、钯组分的含量得到了具有宽带光吸收和良好光热转换性能的Au@Ag-Pd NSs。当Au/Ag/Pd的质量比为1：0.4:0.29时，Au@Ag-Pd NS3的光热性能最佳，最高光热平衡温度为50.1 oC（图3b-3e）。通过元素mapping和HRTEM表征证实Au@Ag-Pd NS3的内核结构是金，壳层结构是银钯双金属壳层（图3g，3h）。选用Au@Ag-Pd NS3作为后续研究的光吸收体。
（2）三元贵金属/聚苯乙烯Janus纳微米结构
图4 Au@Ag-Pd/PS Janus纳微米结构的合成及光学特性
作者利用电泳沉积联合热压技术将Au@Ag-Pd NS3负载于直径为1 μm的PS微球上表面，从而制备出Au@Ag-Pd/PS Janus纳微米结构（图4a-4f）。通过测量消光光谱研究了所制备的Au@Ag-Pd/PS Janus纳微米结构的光学特性（图4g）。相较于Au@Ag-Pd NSs，Au@Ag-Pd/PS Janus纳微米结构的消光带强度增强。有限差分时域(FDTD)的模拟结果证实：当Au@Ag-Pd NS负载在PS微球上时，Au@Ag-Pd NS的光吸收增强（图4h，4i）。场强分布模拟结果表明，PS微球因具备Mie散射共振的特征而在其边界周围表现出强的光散射场，这极大增强了负载于PS微球表面的Au@Ag-Pd NS的光吸收。
（3）Janus纳微米结构耦合光热转换和热局域
图5 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
为了在水/空气界面有效耦合光热转换和热局域，作者将处于ITO衬底表面的Au@Ag-Pd/PS Janus纳微米结构转移至供水体（多孔PVA薄膜）的表面（图5a）。在此基础上，作者考察了Au@Ag-Pd NS3的含量对表面负载有Janus 纳微米结构的PVA薄膜样品的光热转化性能的影响。结果发现，当Au@Ag-Pd NS3的含量为0.35 mg时，PVA薄膜样品（即Au@Ag-Pd/PS-PVA 4）的光热转化性能最佳，在整个可见光区域的光热转化效率达到90.0%以上（图5d），且在循环光热实验中表现出稳定的光热性能（图5e）。在1个太阳照明的条件下，Au@Ag-Pd/PS-PVA 4 的光热平衡表面温度达到74.5°C，高于表面负载Au@Ag-Pd的PVA薄膜和空白PVA薄膜的光热平衡温度（图5f）。这一结果说明PS微球的存在有利于光热转换性能的提升。为了验证PS微球实现的热局域作用，作者采用COMSOL软件模拟了Janus纳微米结构的热场。模拟结果表明，在1个太阳照明的条件下，Janus纳微米结构的最高表面温度达到74.1℃，且温度自PS微球顶部到底部发生下降(图5g)。这证实了PS微球的存在提供了亚微米深度内的热局域。
（4）有效耦合了光热转换、热局域和水供应的蒸发器的蒸发性能
图6 光热转换、热局域和水供应的耦合对蒸发性能的影响
作者以纱布作为单向水流的通道，并将其与Au@Ag-Pd/PS-PVA 4相结合构建出二维太阳能界面蒸发器（图6a），进而考察其蒸发性能。设置无PS微球存在的蒸发器和无蒸发器存在纯水蒸发作为实验对照组。结果发现的蒸发器的表面温度、蒸发速率均优于无PS的蒸发器组和无蒸发器的纯水组（图6b，6c）。这说明Janus纳微米结构所耦合的光热转换、热局域有利于界面蒸发性能的提升。通过计算证实PS微球的存在降低了蒸发器的蒸发焓（图6d）。蒸发焓的降低是由于PS微球将供水体的表面分割多个小供水区以及PVA与水分子之间的氢键相互作用。为调控供水量与光热转换产生的热量之间的匹配，作者在PVA薄膜中添加硅藻土来改变供水体的供水量。当硅藻土的添加量为0.25 g时，供水体的供水量最高。在此条件下所制造的太阳能界面蒸发器的蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率都达到最高，分别为3.04 kg m−2 h−1和99.1%（图6f-6h）。这一结果有利证明了光热转换、热局域和水供应的有效耦合实现了高效界面蒸发。
图7 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
作者研究了蒸发器在不同光照强度下的太阳能界面蒸发性能（图7a-7c）。发现随着光照强度增加，蒸发器的蒸发速率增大，而太阳能-蒸汽转换效率降低。将在1个太阳光照射条件下蒸发器的蒸发速率、太阳能-蒸汽转换效率与已报道的基于贵金属纳米晶体蒸发器和流动蒸发器的这两个性能参数进行了比较（图7d），结果发现蒸发器表现出最高的太阳能蒸汽转化效率和蒸发速率效率。此外，与已报道的基于贵金属纳米晶体的蒸发器相比，蒸发器的金属用量相对较低（0.027 mg cm−2）(图7e)。此外，作者进一步研究了蒸发器的长期蒸发稳定性，发现在连续40 h蒸发过程中，蒸发速率保持在~3 kg m−2 h−1（图7f）。
（6）在实验室条件和户外条件下蒸发器的海水淡化性能
图8 蒸发器的太阳能海水淡化性能
最后，作者考察了具有最佳蒸发性能的蒸发器对高浓度盐水、真实海水的蒸发性能（图8a）。结果发现，蒸发器在3.5 wt%，7 wt%和10 wt% NaCl溶液中都表现出较为稳定的蒸发速率。在1个太阳光的光照条件下，蒸发器对厦门海域海水表现出2.84 kg m−2 h−1的稳定蒸发速率（图8b）和92.3%的太阳能-蒸汽的转换效率。这些性能参数均高于许多已报道的2D界面蒸发器对纯水的蒸发性能。在连续3天的户外蒸发测试中，蒸发器表现出9.56~9.88 kg m-2的淡水日产量（图8e）。同时，将收集的淡水和海水进行ICP的测试，得出K+、Na+、Mg2+和Ca2+的浓度并计算除盐率。结果发现，蒸发器对真实海水表现出约为99.89%除盐效率（图8f）。
采用电泳沉积结合热压技术制备了Au@Ag-Pd/PS Janus纳微米结构。Janus纳微米结构中的Au@Ag-Pd的光吸收性能因PS微球近场散射作用而得到增强。通过在PVA/硅藻土复合膜表面上负载Janus纳微米结构实现了光热转换、热局域和供水的有效耦合。Janus纳微米结构将PVA/硅藻土复合膜的表面划分为多个供水微区，从而降低了蒸发焓。通过调控复合膜中硅藻土的质量含量，建立了蒸发过程中供水量与热量之间的平衡。由于这些显著的优势，基于Janus纳微米结构的蒸发器表现出高蒸发速率、高太阳能-蒸汽转换效率以及优异海水淡化能力。总之，本研究所提出的光热转换、热局域和水供应的优化耦合促成了高效的界面蒸发过程，并为指导高效界面蒸发系统的设计提供了新的思路。对具有光热转换和热局域的分级的Janus结构的实验和理论研究为开发新型太阳能热管理材料的设计提供了新的思路和实验参考。
邵磊，中山大学电子与信息工程学院教授，主要从事微纳结构光子学、低维光电材料与器件方向的研究。先后于香港中文大学、瑞典查尔姆斯理工大学、北京计算科学研究中心等机构从事科研工作，在Nature系列、Advanced Materials、ACS Nano等期刊发表SCI学术论文70余篇。
蒋妮娜，华侨大学化工学院副教授，目前主要从事基于等离激元金属纳米晶的太阳能热管理材料和器件方向的研究。已在在Chemical Reviews、 Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Optical Materials、Nano Research、Nanoscale等国际学术期刊发表论文二十余篇。主持国家自然科学基金、福建省杰出青年科学基金等项目。
本文仅用于学术分享，不做盈利使用，如有侵权，请联系后台小编删除
欢迎关注我们，订阅更多最新消息
“邃瞳科学云”推出专业的自然科学直播服务啦！不仅直播团队专业，直播画面出色，而且传播渠道多，宣传效果佳。
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系陈女士：18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
