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能(neng)源與(yu)水(shui)資源短缺問題一直是(shi)高度相關的(de)(de)兩大全球性的(de)(de)問題。隨(sui)著對金(jin)屬(shu)微(wei)結構(gou)界面(mian)調(diao)控研(yan)(yan)究的(de)(de)不斷(duan)深入，利(li)用等(deng)離激元(yuan)(yuan)增強太陽能(neng)蒸水(shui)成(cheng)為(wei)近(jin)年來光熱領(ling)域(yu)的(de)(de)研(yan)(yan)究熱點。基于等(deng)離激元(yuan)(yuan)微(wei)結構(gou)增強的(de)(de)光-聲轉換(huan)(huan)為(wei)高效利(li)用太陽能(neng)進(jin)行水(shui)純化提供了可行的(de)(de)解決方案，引起了研(yan)(yan)究人(ren)員極大的(de)(de)興趣，也促進(jin)了近(jin)年來等(deng)離激元(yuan)(yuan)材料(liao)創制、光熱轉換(huan)(huan)機理、調(diao)控與(yu)應用的(de)(de)發展。

近日，西(xi)安交通(tong)大(da)學(xue)趙宇鑫課題組利用聚吡咯彈性體固化交聯與定向冷凍(dong)干燥成(cheng)型(xing)技術，成(cheng)功制(zhi)備了大(da)塊仿生結(jie)構的高彈性耐疲勞(lao)五孿(luan)晶銅 聚吡咯核殼納米線(xian)（Cu PPy NW）氣凝膠組裝體材料(liao)。

該材(cai)料在(zai)4000W/m2光(guang)(guang)強輻照下(xia)可(ke)于1分鐘內快速升(sheng)溫(wen)至220℃以(yi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)高溫(wen)，并在(zai)1個太陽(yang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)照強度下(xia)輕松實現97.6%的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)熱(re)(re)轉(zhuan)換效率和2.09 kg/m2h的(de)(de)(de)(de)蒸水速率。其設計理念主要(yao)基于：五孿(luan)晶銅納米線具有(you)很強的(de)(de)(de)(de)表面等離激(ji)元效應（SPPs），其獨特(te)(te)的(de)(de)(de)(de)法布里-珀羅共振(zhen)失穩導致的(de)(de)(de)(de)朗(lang)道阻尼(ni)效應可(ke)使熱(re)(re)電子更多轉(zhuan)換為聲子；聚吡(bi)咯外殼可(ke)以(yi)顯著(zhu)拓寬光(guang)(guang)譜(pu)吸(xi)收范圍，同時(shi)兼具低導熱(re)(re)特(te)(te)性以(yi)減小光(guang)(guang)熱(re)(re)能量的(de)(de)(de)(de)傳導損(sun)耗(hao)；氣(qi)凝膠(jiao)三維結(jie)(jie)構(gou)中廣(guang)泛分布的(de)(de)(de)(de)介孔(kong)(kong)結(jie)(jie)構(gou)，其尺(chi)寸普遍小于空氣(qi)分子的(de)(de)(de)(de)自(zi)由程，從(cong)而有(you)效地(di)抑制層間的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)對(dui)(dui)流傳熱(re)(re)；同時(shi)，氣(qi)凝膠(jiao)材(cai)料中定向(xiang)貫通的(de)(de)(de)(de)大(da)孔(kong)(kong)結(jie)(jie)構(gou)對(dui)(dui)水蒸氣(qi)的(de)(de)(de)(de)傳質(zhi)運輸增(zeng)益，也對(dui)(dui)光(guang)(guang)熱(re)(re)蒸水效率的(de)(de)(de)(de)提升(sheng)也起(qi)到了關鍵作用。

圖1高彈性耐(nai)疲勞五孿(luan)晶銅(tong) 聚(ju)吡咯核殼納(na)米(mi)線氣(qi)凝膠組(zu)裝體材料示意(yi)圖

此外，為(wei)了(le)(le)闡明(ming)材料(liao)表(biao)面(mian)近(jin)場光熱(re)轉換(huan)的物理原理，研究團隊(dui)分別(bie)采用了(le)(le)定制化的導(dao)電原子力探(tan)針(zhen)(zhen)（CAFM）、開爾文探(tan)針(zhen)(zhen)（KPFM）、量熱(re)掃(sao)描探(tan)針(zhen)(zhen)（SThM）和掃(sao)描近(jin)場光學(xue)顯微聯用系統（SNOM）原位測量獲取了(le)(le)單(dan)根基元材料(liao)上激發態熱(re)電子、肖特基勢壘、微小熱(re)流等(deng)特征參(can)數，并直觀證(zheng)實了(le)(le)光子在共格孿晶銅表(biao)面(mian)沿納米線(xian)軸向波(bo)導(dao)傳遞以及熱(re)電子弛豫(yu)過程。

該(gai)研究(jiu)系統定量(liang)分析了(le)Cu PPy納米線材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)結構-功能(neng)相(xiang)關(guan)性(xing)，證實了(le)表面等(deng)離子體(ti)介導的(de)(de)(de)光子-聲子能(neng)量(liang)轉(zhuan)移(yi)模型中(zhong)波動電動力學模型的(de)(de)(de)基本正確性(xing)。這些(xie)結果為(wei)近(jin)場光-物質交(jiao)互(hu)作用中(zhong)的(de)(de)(de)內在耦合關(guan)聯提(ti)供(gong)了(le)明確證據，初步解釋(shi)了(le)顯(xian)著增強的(de)(de)(de)跨尺(chi)度、跨介質光熱(re)轉(zhuan)換機(ji)制。等(deng)離激(ji)元納米材(cai)料(liao)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)種獨特的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)轉(zhuan)化(hua)與(yu)分配平臺，研究(jiu)這種特殊微區環境下的(de)(de)(de)理化(hua)過(guo)程(cheng)不(bu)僅具有重要的(de)(de)(de)基礎研究(jiu)意義，而且為(wei)促進光驅動能(neng)量(liang)轉(zhuan)化(hua)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)條新的(de)(de)(de)途徑。

圖2單根納米材料表(biao)面等離子體介導(dao)的光(guang)子-聲(sheng)子轉換近場(chang)研究

相關成(cheng)果以“基于等(deng)離激元(yuan)近場強(qiang)化(hua)工程的銅 聚吡(bi)咯核殼納米線光蒸水組裝體材(cai)料”（Engineering a Copper Polypyrrole Nanowire Network in the Near Field for Plasmon Enhanced Solar Evaporation）為題發表(biao)在國(guo)際權(quan)威期刊《美國(guo)化(hua)學會-納米》（ACS Nano）上。

該(gai)研(yan)究(jiu)工作由(you)西(xi)安交(jiao)通(tong)大學化工學院趙宇鑫(xin)研(yan)究(jiu)員團隊(dui)完成，化工學院博士研(yan)究(jiu)生王維、助(zhu)理(li)教授嚴孝清，能動(dong)學院博士研(yan)究(jiu)生耿嘉峰為(wei)該(gai)文章共同第一作者，趙宇鑫(xin)研(yan)究(jiu)員為(wei)通(tong)訊作者。

該論文得到(dao)了國家自然科學基(ji)(ji)金、中(zhong)石油(you)創新基(ji)(ji)金、西安交通大(da)學青年(nian)拔尖(jian)人才支持計劃(hua)等項目(mu)的(de)大(da)力支持。

趙宇鑫簡介：

西(xi)(xi)安(an)(an)交通大(da)學研(yan)(yan)究(jiu)員，博士生(sheng)導師(shi)(shi)，西(xi)(xi)安(an)(an)交通大(da)學青(qing)年拔尖人才。2015-2019年任中(zhong)國(guo)(guo)石(shi)化安(an)(an)全(quan)工程研(yan)(yan)究(jiu)院高(gao)級(ji)工程師(shi)(shi)，圍繞“工業安(an)(an)全(quan)監(jian)測與應急處置材料(liao)器件”開展從基礎研(yan)(yan)究(jiu)、關鍵技(ji)術(shu)開發(fa)到工程示范的全(quan)鏈條研(yan)(yan)發(fa)工作(zuo)。近年來研(yan)(yan)究(jiu)興(xing)趣聚焦在危險介質的智能感知(zhi)與納(na)米(mi)原位測量(liang)相關領域。迄今所研(yan)(yan)發(fa)核心技(ji)術(shu)獲得中(zhong)國(guo)(guo)石(shi)化前瞻性基礎性研(yan)(yan)究(jiu)科學獎(jiang)一等獎(jiang)，授權(quan)發(fa)明(ming)專利11項，美日歐(ou)多國(guo)(guo)專利2項，發(fa)表SCI論文(wen)40余(yu)篇。

論文鏈(lian)接：//pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05789

注：本文轉自西安交通大學化工學院。