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光學工程
基于等離激元增強效應的高效太陽能海水淡化

隨著人口不斷增長,全球已有超過十億人存在不同程度的缺水。海水〈包括含鹽地下水〉淡化作為一種獲取淡水的有效方法,引起廣泛關注。然而目前傳統的海水淡化裝置存在體積龐大、耗能高、碳排放量大、淡化效率低等問題。利用太陽能光蒸餾的海水淡化技術低碳環保,但多年來一直受限于較低的光熱轉換效率(約30~45%)而無法大規模應用。

日前,南京大學朱嘉教授課題組利用等離激元增強效應實現了高效太陽能海水淡化。該研究成果提前在線發表于4月25日的Nature Photonics [10, 393-398 (2016) ]上,引起了國內外的廣泛關注。Science以《新的水純化系統可幫助世界解渴》為題專文介紹,認為“這一低成本水凈化技術有著光明的未來”。《中國科學報》、國家自然科學基金委網站等媒體也隨即作了專門報道。

研究人員發現利用納米顆粒自組裝方式實現的三維鋁顆粒等離激元黑體材料是實現高效率太陽能海水淡化的絕佳體系,圖1給出鋁顆粒黑體材料用于等離激元增強太陽能海水淡化的設計示意圖。首先,等離激元鋁黑體材料具有寬太陽光譜超高光吸收效率(在400-2500nm寬太陽光譜范圍平均吸收效率>96%);其次,鋁納米顆粒的局域等離激元光學共振效應使得金屬納米顆粒附近的水局部溫度迅速上升, 導致淡水蒸汽產生,而其多孔結構又提供了有效的蒸汽逃離通道。
 

圖1 等離激元增強太陽能海水淡化的設計示意圖

利用等離激元增強的太陽能海水淡化技術其能量傳遞效率達到90%,且淡化后鹽度降低4個數量級。測量表明淡化后的水質為優于世界衛生組織標準的可飲用水,且性能表現出良好的穩定性和耐用性。這種等離激元黑體薄膜材料的制備是以低成本的金屬鋁為唯一原材料,采用簡單可規模化生產的自組裝制備方法(圖2)。這將對高效率太陽能海水淡化技術的大規模實用化,及其在海洋、島嶼、沙漠等特殊地區的應用產生重要的意義。
 

圖2 三維鋁顆粒等離激元黑體自組裝工藝示意圖:(a)鋁箔;(b)多孔氧化鋁;(c)鋁顆粒自組裝于氧化鋁模板;(d)、(e)、(f)為(a)、(b)、(c)相應的光學照片


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