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  近日，南京大學現代工程與應用科學學院朱嘉教授課題組在高效界面光熱-蒸汽轉換上取得最新進展。該工作以《Enhancement of interfacial solar vapor generation by environmental energy》為題發表在Cell press旗下期刊Joule上。課題組博士研究生李秀強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，該工作得到了阿聯酋哈利法科技大學張鐵軍教授課題組的幫助和支持，同時也得到了南京大學祝世寧院士的指導和支持。

  界面光熱轉換作為新興太陽能技術因其高轉換效率及在海水淡化、水處理等諸多領域的應用前景，引起學界、產業界的廣泛關注。過去一段時間的發展，諸多工作聚焦于通過材料結構設計、光學調控、熱學管理以及水通道的設計來提高光-蒸汽的轉化效率。然而業界通常認為因為吸收體向環境的能量耗散（包括光學與熱學損耗）不可避免，因此最大的蒸發量會受限于太陽能功率密度而存在上限（按照標準太陽能譜計算，~1.47L/m2/h），光-蒸汽產生的凈蒸發量會趨近但無法超過這一上限。

圖1. 傳統界面光蒸汽轉化 (A) 與環境能量增強的界面光蒸汽轉化（B）對比示意圖

  針對這一問題，朱嘉教授團隊提出了新的材料結構設計思路，可以使環境從能源耗散方變成能源的供給方；吸收體從環境有凈能量輸入，從而有效增強蒸發，打破傳統認為的蒸發極限，即100%太陽能利用情況下的蒸發量。要實現這一環境能量增強的光-蒸汽產生，需要在宏觀尺度上設計了一系列不連續的柱狀蒸發體。這些不連續的蒸發體可為蒸汽逸散提供有效通道，增大蒸發體的有效蒸發面積，同時一維水通道的設計可有效降低熱損失。在微觀尺度上，利用具有多級連通孔結構的親水纖維素膜作為包覆層包覆在柱狀蒸發體外來進一步增大有效蒸發面積；同時利用具有高吸光系數的碳納米顆粒沉積在纖維素膜上作為吸收體來充分利用太陽能。通過精細結構調控，最終可實現在正常光照條件下，吸收體的平均溫度低于環境溫度（如圖1）。在此情況下，環境能量可有效增強蒸發，使得蒸發量可以超過傳統認為極限，即100%太陽能利用下的蒸發量。

  作為應用示例，該工作展示了這種環境能量增強光-蒸汽轉化裝置可大幅提升對工業污水（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認知蒸發極限提出了一種新的思路和方式，同時為高效的太陽能光蒸汽技術的應用邁出堅實一步。

  這一工作受到國家重點基礎研究計劃，國家自然科學基金委群體及面上項目，中央高校基本科研業務費專項基金，江蘇省優勢學科等項目的支持。

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