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  近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院朱嘉教授課題組在高效界面光熱-蒸汽轉(zhuǎn)換上取得最新進(jìn)展。該工作以《Enhancement of interfacial solar vapor generation by environmental energy》為題發(fā)表在Cell press旗下期刊Joule上。課題組博士研究生李秀強(qiáng)與碩士研究生李金磊為該論文的共同第一作者，朱嘉教授為論文的通訊作者，該工作得到了阿聯(lián)酋哈利法科技大學(xué)張鐵軍教授課題組的幫助和支持，同時(shí)也得到了南京大學(xué)祝世寧院士的指導(dǎo)和支持。

  界面光熱轉(zhuǎn)換作為新興太陽(yáng)能技術(shù)因其高轉(zhuǎn)換效率及在海水淡化、水處理等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用前景，引起學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。過(guò)去一段時(shí)間的發(fā)展，諸多工作聚焦于通過(guò)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光學(xué)調(diào)控、熱學(xué)管理以及水通道的設(shè)計(jì)來(lái)提高光-蒸汽的轉(zhuǎn)化效率。然而業(yè)界通常認(rèn)為因?yàn)槲阵w向環(huán)境的能量耗散（包括光學(xué)與熱學(xué)損耗）不可避免，因此最大的蒸發(fā)量會(huì)受限于太陽(yáng)能功率密度而存在上限（按照標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能譜計(jì)算，~1.47L/m2/h），光-蒸汽產(chǎn)生的凈蒸發(fā)量會(huì)趨近但無(wú)法超過(guò)這一上限。

圖1. 傳統(tǒng)界面光蒸汽轉(zhuǎn)化 (A) 與環(huán)境能量增強(qiáng)的界面光蒸汽轉(zhuǎn)化（B）對(duì)比示意圖

  針對(duì)這一問(wèn)題，朱嘉教授團(tuán)隊(duì)提出了新的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，可以使環(huán)境從能源耗散方變成能源的供給方；吸收體從環(huán)境有凈能量輸入，從而有效增強(qiáng)蒸發(fā)，打破傳統(tǒng)認(rèn)為的蒸發(fā)極限，即100%太陽(yáng)能利用情況下的蒸發(fā)量。要實(shí)現(xiàn)這一環(huán)境能量增強(qiáng)的光-蒸汽產(chǎn)生，需要在宏觀尺度上設(shè)計(jì)了一系列不連續(xù)的柱狀蒸發(fā)體。這些不連續(xù)的蒸發(fā)體可為蒸汽逸散提供有效通道，增大蒸發(fā)體的有效蒸發(fā)面積，同時(shí)一維水通道的設(shè)計(jì)可有效降低熱損失。在微觀尺度上，利用具有多級(jí)連通孔結(jié)構(gòu)的親水纖維素膜作為包覆層包覆在柱狀蒸發(fā)體外來(lái)進(jìn)一步增大有效蒸發(fā)面積；同時(shí)利用具有高吸光系數(shù)的碳納米顆粒沉積在纖維素膜上作為吸收體來(lái)充分利用太陽(yáng)能。通過(guò)精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)控，最終可實(shí)現(xiàn)在正常光照條件下，吸收體的平均溫度低于環(huán)境溫度（如圖1）。在此情況下，環(huán)境能量可有效增強(qiáng)蒸發(fā)，使得蒸發(fā)量可以超過(guò)傳統(tǒng)認(rèn)為極限，即100%太陽(yáng)能利用下的蒸發(fā)量。

  作為應(yīng)用示例，該工作展示了這種環(huán)境能量增強(qiáng)光-蒸汽轉(zhuǎn)化裝置可大幅提升對(duì)工業(yè)污水（如含重金屬、染料分子的廢水）的處理能力。此工作不僅為突破傳統(tǒng)認(rèn)知蒸發(fā)極限提出了一種新的思路和方式，同時(shí)為高效的太陽(yáng)能光蒸汽技術(shù)的應(yīng)用邁出堅(jiān)實(shí)一步。

  這一工作受到國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金委群體及面上項(xiàng)目，中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金，江蘇省優(yōu)勢(shì)學(xué)科等項(xiàng)目的支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.04.004