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    南京大学在“太阳能海水淡化”材料研究方面取得重要进展

    日期 2016-05-05   来源:数理科学部   作者:倪培根 张守著  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金(项目批准号:11321063、11574143、11204139)等的资助下,南京大学高效太阳能海水淡化材料研究取得重要进展,相关研究成果以“3D self-assembly of aluminium nanoparticles forplasmon-enhanced solar desalination”为题于4月25日在Nature Photonics上在线发表(DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.75)。论文链接:http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2016.75.html。

      文章发表后,Science以“New water purification system could help slake the world’s thirst”(《新的水纯化系统可帮助世界解渴》)为题撰文介绍,链接:http://www.sciencemag.org/news/2016/04/new-water-purification-system-could-help-slake-world-s-thirst。该项成果是由祝世宁院士带领的创新研究群体成员的朱嘉教授及其研究组完成的。

      据报道,随着人口不断增长,全球已有超过十亿人存在不同程度的缺水。海水(包括含盐地下水)淡化作为一种获取淡水的有效方法,引起广泛关注。然而目前传统的海水淡化装置存在体积庞大、耗能高、碳排放量大、淡化效率低等问题。利用太阳能光蒸馏的海水淡化技术低碳环保,但多年来一直受限于较低的光热转换效率(约为30%-45%)而无法大规模应用。

      该群体在国际上首次利用等离激元增强效应实现了高效太阳能海水淡化,能量传递效率约等于90%,淡化前后盐度降低4个数量级。该研究发现,三维铝颗粒等离激元黑体材料是实现高效率太阳能海水淡化的绝佳体系,该材料体系具有宽太阳光谱超高光吸收效率,在400-2500nm宽太阳光谱范围平均吸收效率大于96%,确保了海水淡化过程中光热转换效率大幅提高;铝纳米颗粒的局域等离激元光学共振效应使得漂浮在水面上紧密排列的金属纳米颗粒薄膜局部温度上升加速和电磁场增强效应,这非常有利于在膜液交界面的海水快速升温,产生淡水蒸汽,膜上的多孔结构又提供了有效的蒸汽逃离通道。图1为铝颗粒黑体材料用于等离激元增强太阳能海水淡化的设计示意图。这种铝颗粒等离激元黑体薄膜材料制备以低成本的金属铝为唯一原材料,采用了简单可规模化生产的自组装制备方法,如图2所示。

      测量表明,淡化后的水质为优于世界卫生组织标准的可饮用水,且淡化性能表现出良好的稳定性和耐用性,这将对高效率太阳能海水淡化技术的大规模实用化产生重要的意义。

    图1. 等离激元增强太阳能海水淡化的设计示意图

    图2.三维铝颗粒等离激元黑体自组装工艺示意图:(a)铝箔,(b)多孔氧化铝,(c)铝颗粒自组装于氧化铝模板;(d)、(e)、(f)为(a)、(b)、(c)相应的光学照片




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