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太(tai)陽光(guang)-熱(re)(re)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)是利(li)用(yong)太(tai)陽能(neng)最簡單(dan)、有效的(de)方式之一。利(li)用(yong)太(tai)陽能(neng)進行海(hai)水(shui)淡化(hua)實際上(shang)是利(li)用(yong)太(tai)陽能(neng)蒸汽產生系統，先將光(guang)能(neng)轉(zhuan)(zhuan)化(hua)為(wei)熱(re)(re)能(neng)，然(ran)后利(li)用(yong)熱(re)(re)能(neng)來(lai)加熱(re)(re)水(shui)體，在水(shui)蒸發的(de)過程中鹽離子(zi)和重(zhong)金屬離子(zi)不會隨水(shui)蒸氣流(liu)失，從(cong)而達(da)到海(hai)水(shui)淡化(hua)的(de)過程。

同濟大學(xue)(xue)物(wu)理科學(xue)(xue)與工程學(xue)(xue)院納米多孔(kong)材料課題(ti)組通過對碳(tan)氣凝膠的(de)不(bu)斷研究，發現(xian)其具有一(yi)些特殊(shu)的(de)性質，例如由其無序(xu)結(jie)構和小尺寸(cun)導體效(xiao)(xiao)應(ying)引(yin)起的(de)與角度無關的(de)、寬波段的(de)強(qiang)(qiang)烈的(de)光(guang)吸收（ACSNano,2016,10,9123-9128），由等效(xiao)(xiao)開口諧振環導致的(de)雙負特性(Carbon,2018,129,598-606)，以(yi)及小尺寸(cun)導體效(xiao)(xiao)應(ying)引(yin)起的(de)強(qiang)(qiang)烈的(de)熱電子耦合增強(qiang)(qiang)光(guang)催化(hua)效(xiao)(xiao)應(ying)(MRS.Comm.2018,8,521-526)等。

圖1.普通泡(pao)沫和超黑碳氣(qi)凝膠的宏觀(guan)和微觀(guan)結構圖及海水淡(dan)化示意圖。

近(jin)日，該課(ke)題(ti)組(zu)通(tong)過(guo)采(cai)用(yong)預冷凍技術結(jie)(jie)(jie)合(he)碳(tan)化工藝，制備了(le)集大(da)孔(kong)(kong)(kong)、介孔(kong)(kong)(kong)和微(wei)孔(kong)(kong)(kong)結(jie)(jie)(jie)構(gou)于(yu)(yu)一體的(de)(de)(de)(de)(de)超黑碳(tan)氣凝膠。材(cai)料(liao)中垂(chui)直的(de)(de)(de)(de)(de)大(da)孔(kong)(kong)(kong)結(jie)(jie)(jie)構(gou)有利于(yu)(yu)水(shui)(shui)蒸氣的(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)輸；介孔(kong)(kong)(kong)結(jie)(jie)(jie)構(gou)有利于(yu)(yu)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)保溫隔(ge)熱；而(er)微(wei)孔(kong)(kong)(kong)結(jie)(jie)(jie)構(gou)可(ke)以構(gou)造小尺寸導體，從而(er)產生強烈的(de)(de)(de)(de)(de)熱電子(zi)效應(ying)，最終提高(gao)光(guang)熱轉化效率。除此之外，通(tong)過(guo)物(wu)理活化的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法可(ke)以在(zai)材(cai)料(liao)原(yuan)有的(de)(de)(de)(de)(de)骨架上(shang)造出新的(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)孔(kong)(kong)(kong)結(jie)(jie)(jie)構(gou)。最終，該材(cai)料(liao)實現了(le)1個(ge)太陽的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)照強度(du)下(xia)87.51%的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)熱轉化效率和1.37kg/m-2/h的(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)蒸發速率。該材(cai)料(liao)通(tong)過(guo)水(shui)(shui)蒸發的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)式，可(ke)以進行海水(shui)(shui)淡化、硬水(shui)(shui)軟化和污水(shui)(shui)處理，且處理后的(de)(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)質能夠(gou)達(da)到世衛(wei)組(zu)織和衛(wei)生部(bu)關于(yu)(yu)飲用(yong)水(shui)(shui)的(de)(de)(de)(de)(de)標(biao)準。該工作(zuo)以“Enhanced Photo thermal Conversion by Hot-Electron Effectin Ultra black Carbon Aerogel for Solar Steam Generation”為題(ti)發表在(zai)國際知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上(shang)（ACS Appl.Mater.Interfaces2019,11,42057-42065）。

圖2.超黑碳(tan)氣凝(ning)膠光熱(re)轉化性能的標征。（a）孔徑分(fen)布；（b）吸(xi)收(shou)、透過(guo)光譜；（c，d）光熱(re)轉化性能；（e）連續光照下的光-熱(re)蒸(zheng)汽產生(sheng)速率(lv)對比(bi)；（f）應用時(shi)材料表(biao)面溫度。

該工作提出的(de)(de)(de)(de)小尺寸導體引起(qi)的(de)(de)(de)(de)熱(re)電子效(xiao)應，可以為設計其他高效(xiao)的(de)(de)(de)(de)光(guang)熱(re)轉化器件提供一條新(xin)的(de)(de)(de)(de)思路。該論(lun)文的(de)(de)(de)(de)第一作者是博士生汪(wang)宏(hong)強，通(tong)訊作者為杜艾(ai)副(fu)教授，課題組周斌、張志華、沈(shen)軍、張晨(chen)、姬秀(xiu)潔等師生也(ye)參與了該工作。該工作受(shou)到了國家(jia)自然科學基金、國家(jia)重點研發計劃(hua)“納米科技”重點專項(xiang)、上海市特殊人工微結構材料(liao)與技術重點實驗室開放課題的(de)(de)(de)(de)支持。