《Nature》子刊报道南京大学太阳能海水淡化革命性新材料

全世界有超过十亿人缺乏淡水，而且问题会越来越严重——据估计，到2025年世界人口高达三分之二可能面临缺水问题。与之相对，海水资源相当丰富，将海水淡化为饮用水是个很好的选择。但目前主流的膜过滤技术，耗能大成本高，对于淡水资源更缺乏的发展中国家来说是很大的负担。不算是新技术的太阳能蒸馏海水淡化没有耗能问题，但光热转换效率效率太低，淡水产量难以符合大规模使用的需求。科学家们曾试图使用金属纳米颗粒来提高太阳能蒸馏的效率，效果较好的是金（gold）或者其他贵金属纳米颗粒，但价格昂贵又成了新的问题。

最近，南京大学朱嘉（Jia Zhu）教授课题组在太阳能海水淡化方面取得了重要进展，他们发明了等离激元增强的太阳能海水淡化（plasmon-enhanced solar desalination）装置，核心部件是铝纳米粒子自组装而成的三维多孔膜，能量传递效率高达90%左右，淡化前后水的盐度可降低4个数量级。该工作发表在《Nature Photonics》上，副研究员周林（Lin Zhou）和硕士生谭颖玲（Yingling Tan）为论文的共同第一作者。（3D self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon-enhanced solar desalination. Nature Photonics, DOI: 10.1038/nphoton.2016.75）

设计示意图

朱嘉教授介绍说，“海水淡化通常是对海水加温，取得蒸馏水。这个过程中，能量消耗非常多。如果只加热水表面的一层分子，水在变成蒸汽的过程中，整体水温就可以维持不变。”针对这一目标，研究人员们发明了等离激元铝黑体材料，该材料包括三个部分，近乎透明的含纳米孔阵列的阳极氧化铝膜（AAM），纳米孔侧壁上密集堆积的铝纳米颗粒，以及在阳极氧化铝膜上面的铝薄层（如下图）。

等离激元铝黑体材料自组装工艺及光学照片对比图

纳米孔直径大约300纳米，形成的纳米孔阵列可以阻止光反射离开并使其在膜内散射，增加光被吸收的几率。铝纳米颗粒的局域等离激元光学共振效应，使得与水接触的铝纳米颗粒附近区域产生极高的局部温度和电磁场增强效应，水蒸汽可快速有效地产生，并可借助多孔结构快速逃离。一般来说，普通的铝只在紫外光波段有很好的光吸收效率，但这种以铝为唯一原材料的新材料则在超宽太阳光谱（400-2500 nm）范围内具有超高光吸收效率（平均>96%），这保证了高达90%的能量传递效率。

扫描电子显微镜图片

另外，研究人员们所使用的自组装制备方法，简单且可规模化。实验证明，这种新材料的海水淡化性能优异、稳定，耐用性好，很有希望用于高效太阳能海水淡化的实际应 用。使用这种材料，“死海、波罗的海、渤海等各种盐度的海水，经过淡化后都可以达到国际饮用水标准。”朱嘉教授说。

Science网站也对这一成果以新闻的形式进行了高度评价，标题为：New water purification system could help slake the world's thirst（DOI: 10.1126/science.aaf5666）。

1. http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2016.75.html

2. http://www.sciencemag.org/news/2016/04/new-water-purification-system-could-help-slake-world-s-thirst

3. http://news.nju.edu.cn/show_article_1_41890

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