近幾十年(nian)來,淡水(shui)資(zi)源(yuan)(yuan)缺乏和能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)危機已(yi)成為兩(liang)個急需解決的(de)問題。前者(zhe)在缺水(shui)國家(jia)(jia)尤為嚴重(zhong),預(yu)計到2025年(nian),將有(you)近三分之(zhi)二的(de)國家(jia)(jia)陷(xian)入(ru)淡水(shui)短缺的(de)困(kun)境(jing)。全球能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)現狀(zhuang)也(ye)令(ling)人(ren)擔(dan)憂,因為化石(shi)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)枯竭和使用化石(shi)燃料造成的(de)環境(jing)污染(ran)困(kun)擾(rao)著人(ren)類。為了(le)緩(huan)解淡水(shui)資(zi)源(yuan)(yuan)的(de)短缺和能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)危機,人(ren)們對利(li)用藍色能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)生產淡水(shui)和發電給予了(le)極大的(de)關注(zhu),在這方面已(yi)經取(qu)得了(le)實質性的(de)進展(zhan)。高效的(de)光熱(re)轉(zhuan)換材(cai)料必須同時具備高太陽能(neng)(neng)(neng)吸收(shou)性、高光熱(re)轉(zhuan)換性、低成本以及良好的(de)穩定性。
目前,盡管科研工作(zuo)者(zhe)對不同的(de)光熱材料進行了廣泛的(de)研究,但(dan)單組分(fen)材料由(you)于(yu)其有(you)限的(de)光熱轉換效率(lv),還不能(neng)滿足實際(ji)需要。因此,通(tong)過更(geng)好的(de)設計和調(diao)控,制備出具有(you)優異光吸收性和更(geng)高(gao)光熱轉換效率(lv)的(de)復合材料是研究的(de)重點。
云南大學楊鵬、萬艷芬團隊利用化學制備工藝將等離子體貴金屬、半導體和碳基材料復合。由于三者的協同效應,使得Au@Bi2MoO6-Carbondots(CDs)復(fu)合材料具有97.1%的(de)光(guang)熱轉換(huan)效率。特別是(shi)金納米錐和碳(tan)點的(de)加(jia)入,由于(yu)電(dian)子由Bi2MoO6轉移到(dao)Au錐和碳(tan)點的(de)表面,有效的(de)抑制了Bi2MoO6中電(dian)子-空穴對的(de)復(fu)合,從而極大地(di)增(zeng)強了材料的(de)光(guang)熱性能。
研究成果以“High-absorption solar steam device comprising Au@Bi2MoO6-CDs:extra ordinary desalina tion and electricity generation”(具有超高海水淡化和發電性能的Au@Bi2MoO6-CDs基太(tai)陽能蒸(zheng)汽器件)為題,在國際(ji)著名(ming)期刊(kan)Nano Energy上發表,文章的第(di)一作者是云南大學碩士研究生鄭(zheng)澤民和(he)李慧(hui)勇,通訊(xun)作者為楊鵬和(he)萬(wan)艷芬(fen)副教授。該研究得(de)到了國家自然科(ke)學基金等項(xiang)目支持。
為了(le)(le)(le)實現(xian)有效的(de)(de)電子-空(kong)穴對的(de)(de)產生和增強(qiang)的(de)(de)光(guang)熱轉(zhuan)換(huan),楊鵬、萬艷芬等人設計并(bing)制備了(le)(le)(le)一(yi)種(zhong)新(xin)型的(de)(de)復合材料,采用優化的(de)(de)工(gong)藝自搭(da)建了(le)(le)(le)一(yi)套(tao)高效的(de)(de)太(tai)陽(yang)能蒸汽(qi)系統(tong)。該工(gong)作(zuo)報道(dao)了(le)(le)(le)一(yi)種(zhong)三維介觀納米太(tai)陽(yang)能吸(xi)收材料,包括(kuo)等離子體貴金(jin)屬顆粒、半導(dao)體和生物質碳點(dian)(CDs)三種(zhong)組分。
首次(ci)實(shi)現(xian)(xian)在3D的(de)(de)(de)Bi2MoO6內部(bu)包裹(guo)等離子體Au納米錐,并在Bi2MoO6外部(bu)吸附大量(liang)的(de)(de)(de)碳點(dian),合成了(le)珊瑚狀(zhuang)的(de)(de)(de)Au@Bi2MoO6-CDs異質結構。與純Au、Bi2MoO6和(he)CDs相(xiang)比,該三(san)元(yuan)復合材料實(shi)現(xian)(xian)了(le)有(you)效(xiao)的(de)(de)(de)電荷轉移(yi),有(you)利于光(guang)生電子-空穴對的(de)(de)(de)形成,提高(gao)了(le)能量(liang)轉換效(xiao)率(lv)。同時,表面的(de)(de)(de)片狀(zhuang)多(duo)孔(kong)結構為太陽光(guang)的(de)(de)(de)收(shou)集(ji)提供了(le)眾(zhong)多(duo)的(de)(de)(de)位點(dian),通過(guo)材料內部(bu)對光(guang)的(de)(de)(de)多(duo)級反射而達到70%的(de)(de)(de)光(guang)吸收(shou)率(lv)。
該(gai)研(yan)究對復(fu)合(he)材料進行了(le)(le)光(guang)(guang)熱性(xing)能(neng)測試,發現Au@Bi2MoO6-CDs復(fu)合(he)材料具有超高的(de)光(guang)(guang)熱性(xing)能(neng)(在一個太陽(yang)光(guang)(guang)下的(de)光(guang)(guang)熱轉換(huan)效率為(wei)97.1%,水(shui)(shui)蒸發率為(wei)1.69kgm-2h-1)。此外,該(gai)研(yan)究工作將(jiang)復(fu)合(he)材料沉積在商(shang)用(yong)的(de)溫差(cha)發電(dian)片上,制成了(le)(le)太陽(yang)能(neng)熱電(dian)發電(dian)器,其(qi)輸出功率高達97.4μwcm-2。該(gai)工作為(wei)解決淡水(shui)(shui)短缺和能(neng)源危機提(ti)供了(le)(le)一種新的(de)思路,即(ji)構建一種新型多功能(neng)材料,將(jiang)其(qi)用(yong)于海水(shui)(shui)淡化和發電(dian),從(cong)而獲得清潔水(shui)(shui)和可再生能(neng)源。