同济大学制备出超黑碳气凝胶提高光热转化效率

太阳光-热转化是利用太阳能最简单、有效的方式之一。利用太阳能进行海水淡化实际上是利用太阳能蒸汽产生系统，先将光能转化为热能，然后利用热能来加热水体，在水蒸发的过程中盐离子和重金属离子不会随水蒸气流失，从而达到海水淡化的过程。

同济大学物理科学与工程学院纳米多孔材料课题组通过对碳气凝胶的不断研究，发现其具有一些特殊的性质，例如由其无序结构和小尺寸导体效应引起的与角度无关的、宽波段的强烈的光吸收(ACS Nano, 2016, 10, 9123-9128)，由等效开口谐振环导致的双负特性 (Carbon, 2018, 129, 598-606)，以及小尺寸导体效应引起的强烈的热电子耦合增强光催化效应 (MRS. Comm. 2018, 8, 521-526)等。

图1. 普通泡沫和超黑碳气凝胶的宏观和微观结构图及海水淡化示意图

近日，该课题组通过采用预冷冻技术结合碳化工艺，制备了集大孔、介孔和微孔结构于一体的超黑碳气凝胶。材料中垂直的大孔结构有利于水蒸气的运输;介孔结构有利于材料的保温隔热;而微孔结构可以构造小尺寸导体，从而产生强烈的热电子效应，最终提高光热转化效率。除此之外，通过物理活化的方法可以在材料原有的骨架上造出新的微孔结构。最终，该材料实现了1个太阳的光照强度下87.51%的光热转化效率和1.37kg/m-2/h的水蒸发速率。该材料通过水蒸发的方式，可以进行海水淡化、硬水软化和污水处理，且处理后的水质能够达到世卫组织和卫生部关于饮用水的标准。该工作以“Enhanced Photothermal Conversion by Hot-Electron Effect in Ultrablack Carbon Aerogel for Solar Steam Generation”为题发表在国际知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上(ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 42057-42065)。

图2. 超黑碳气凝胶光热转化性能的标征。(a)孔径分布;(b)吸收、透过光谱;(c，d)光热转化性能;(e)连续光照下的光-热蒸汽产生速率对比;(f)应用时材料表面温度

该工作提出的小尺寸导体引起的热电子效应，可以为设计其他高效的光热转化器件提供一条新的思路。该论文的第一作者是博士生汪宏强，通讯作者为杜艾副教授，课题组周斌、张志华、沈军、张晨、姬秀洁等师生也参与了该工作。该工作受到了国家自然科学基金、国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室开放课题的支持。

参考文献：

1. Sun, W.; Du, A.; Feng, Y.; Shen, J.; Huang, S.; Tang, J.; Zhou, B., Super Black Material from Low-Density Carbon Aerogels with Subwavelength Structures. ACS Nano 2016. 10, 9123-9128.

2. Xie, P.; Sun, W.; Liu, Y.; Du, A.; Zhang, Z.; Wu, G.; Fan, R., Carbon aerogels towards new candidates for double negative metamaterials of low density. Carbon 2018, 129, 598-606.

3. Wang, H.; He, X.; Zhou, B.; Shen, J.; Du, A., Hot electrons coupling-enhanced photocatalysis of super black carbon aerogels/titanium oxide composite. MRS Communications 2018, 8 , 521-526.

4. Du, A.; Wang, H.; Zhou, B.; Zhang, C.; Wu, X.; Ge, Y.; Niu, T.; Ji, X.; Zhang, T.; Zhang, Z.; Wu, G.; Shen, J., Multifunctional Silica Nanotube Aerogels Inspired by Polar Bear Hair for Light Management and Thermal Insulation. Chemistry of Materials 2018. 30, 6849-6857.

5. Hongqiang Wang, C. Z., Bin Zhou ,Zhihua Zhang, Jun Shen, Ai Du., Ultra-black [email protected] core-shell aerogels with controllable electrical conductivities. Advanced Composites and Hybrid Materials 2019. https://doi.org/10.1007/s42114-019-00123-6.

6. Wang, H.; Du, A.; Ji, X.; Zhang, C.; Zhou, B.; Zhang, Z.; Shen, J., Enhanced Photothermal Conversion by Hot-Electron Effect in Ultrablack Carbon Aerogel for Solar Steam Generation. ACS Appl Mater Interfaces 2019, 11, 42057−42065.

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