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太阳能驱动的界面蒸发是一种绿色、环保、低碳的淡水生产技术。此项技术的实现取决于太阳能界面光蒸汽转换器的合理设计与构建。太阳能驱动的界面蒸发器通常由三个部分组成：将太阳能转化为热能的太阳光吸收体；将太阳光吸收体所产生的热能定位于在空气/水界面的隔热体；能够将水运输至太阳能加热区域的供水体。为了获得高效的太阳能-蒸汽转换，这三个组分的材料与结构的设计需考虑在空气/水界面处协同促进光热转换、热局域和水供应，即存在协同相互关系。然而，到目前为止，如何在供水体的表面构建具有协同作用的太阳光吸收体和隔热体仍然是太阳能界面蒸发器设计开发中的一项具有挑战性的课题。
近年来，具有等离激元特性的金属纳米晶被广泛用于太阳能界面蒸发器的光吸收体。对于单一组分等离激元金属纳米晶（例如金、银）来说，它们在太阳光谱中往往呈现窄带吸收。为了获得高的太阳能利用率，研究者们通常采用具有宽带光学吸收的等离激元金属纳米晶聚集体作为太阳能光蒸汽转换器的光吸收体。然而，由于等离激元金属纳米晶体的光热转换效率随自身尺寸的增大而减小，因此等离激元金属纳米晶的聚集不可避免地带来了光热转换效率的降低。此外，组建聚集体还需要高金属纳米晶用量，这也不利于蒸发器的成本控制和实践推广。因此，如何解决使用金属纳米晶聚集体所面临的光吸收带宽与光热转换效率的调控矛盾，以及如何有效控制金属纳米晶的用量是目前基于等离激元金属纳米晶的太阳能界面蒸发器研究亟待解决的关键问题。
基于上述两个问题，华侨大学蒋妮娜、中山大学邵磊提出在供水体表面构建金银钯/聚苯乙烯Janus纳微结构，从而构建出有效耦合光热转换、热局域和水供应的新型的二维界面太阳能蒸发器（图1）。由于光吸收体、隔热体和供水体的协同作用，蒸发器在1个太阳照明下，在纯水中实现了99.1%的太阳能-水蒸气转换效率和3.04 kg m −2 h −1的蒸发速率。此外，太阳能蒸发器的海水淡化性能优异，除盐率接近100%。该工作发表在国际著名期刊《 Advanced Functional Materials》上。华侨大学化工学院硕士研究生陈中毅为本文的第一作者，华侨大学蒋妮娜副教授、中山大学邵磊教授为本文的通讯作者。
图1基于Janus纳微结构的太阳能界面蒸发器的结构示意图
（1）金银钯三元金属纳米晶
作者首先利用胶体种子生长法和原位生长法合成Au@Ag-Pd NSs（图2a）。通过调控银壳层的厚度、钯组分的含量得到了具有宽带光吸收和良好光热转换性能的Au@Ag-Pd NSs。当Au/Ag/Pd的质量比为1：0.4:0.29时，Au@Ag-Pd NS 3的光热性能最佳，最高光热平衡温度为50.1 oC（图2b-2e）。通过元素mapping和HRTEM表征证实Au@Ag-Pd NS 3的内核结构是金，壳层结构是银钯双金属壳层（图2g，2h）。选用Au@Ag-Pd NS 3作为后续研究的光吸收体。
图2 Au@Ag-Pd NSs的合成、光学特性及光热转换性能
（2）三元贵金属/聚苯乙烯Janus纳微米结构
图3 Au@Ag-Pd/PS Janus纳微米结构的合成及光学特性
作者利用电泳沉积联合热压技术将Au@Ag-Pd NS 3负载于直径为1m的PS微球上表面，从而制备出Au@Ag-Pd/PS Janus纳微米结构（图3a-3f）。通过测量消光光谱研究了所制备的Au@Ag-Pd/PS Janus纳微米结构的光学特性（图3g）。相较于Au@Ag-Pd NSs，Au@Ag-Pd/PS Janus纳微米结构的消光带强度增强。有限差分时域(FDTD)的模拟结果证实：当Au@Ag-Pd NS负载在PS微球上时，Au@Ag-Pd NS的光吸收增强（图3h，3i）。场强分布模拟结果表明，PS微球因具备Mie散射共振的特征而在其边界周围表现出强的光散射场，这极大增强了负载于PS微球表面的Au@Ag-Pd NS的光吸收。
（3）Janus纳微米结构耦合光热转换和热局域
为了在水/空气界面有效耦合光热转换和热局域，作者将处于ITO衬底表面的Au@Ag-Pd/PS Janus纳微米结构转移至供水体（多孔PVA薄膜）的表面（图4a）。在此基础上，作者考察了Au@Ag-Pd NS 3的含量对表面负载有Janus 纳微米结构的PVA薄膜样品的光热转化性能的影响。结果发现，当Au@Ag-Pd NS 3的含量为0.35 mg时PVA薄膜样品（即Au@Ag-Pd/PS-PVA 4）的光热转化性能最佳，在整个可见光区域的光热转化效率达到90.0%以上（图4d），且在循环光热实验中表现出稳定的光热性能（图4e）。在1个太阳照明的条件下，Au@Ag-Pd/PS-PVA 4 的光热平衡表面温度达到74.5°C，高于表面负载Au@Ag-Pd的PVA薄膜和空白PVA薄膜的光热平衡温度（图4f）。这一结果说明PS微球的存在有利于光热转换性能的提升。为了验证PS微球实现的热局域作用，作者采用COMSOL软件模拟了Janus纳微米结构的热场。模拟结果表明，在1个太阳照明的条件下，Janus纳微米结构的最高表面温度达到74.1℃，且温度自PS微球顶部到底部发生下降(图4g)。这证实了PS微球的存在提供了亚微米深度内的热局域。
图4 负载于多孔PVA薄膜表面的Au@Ag-Pd/PS Janus 纳微米结构的光热与热局域性能
（4）有效耦合了光热转换、热局域和水供应的蒸发器的蒸发性能
作者以纱布作为单向水流的通道，并将其与Au@Ag-Pd/PS-PVA 4相结合构建出二维太阳能界面蒸发器（图5a），进而考察其蒸发性能。设置无PS微球存在的蒸发器和无蒸发器存在纯水蒸发作为实验对照组。结果发现的蒸发器的表面温度、蒸发速率均优于无PS的蒸发器组和无蒸发器的纯水组（图5b，5c）。这说明Janus纳微米结构所耦合的光热转换、热局域有利于界面蒸发性能的提升。通过计算证实PS微球的存在降低了蒸发器的蒸发焓（图5d）。蒸发焓的降低是由于PS微球将供水体的表面分割多个小供水区以及PVA与水分子之间的氢键相互作用。为调控供水量与光热转换产生的热量之间的匹配，作者在PVA薄膜中添加硅藻土来改变供水体的供水量。当硅藻土的添加量为0.25 g时，供水体的供水量最高。在此条件下所制造的太阳能界面蒸发器的蒸发速率和太阳能-蒸汽转换效率都达到最高，分别为3.04 kg m −2 h −1和99.1%（图5f-5h）。这一结果有利证明了光热转换、热局域和水供应的有效耦合实现了高效界面蒸发。
图5光热转换、热局域和水供应的耦合对蒸发性能的影响
（5）在不同光照强度条件下的蒸发性能和蒸发稳定性
作者研究了蒸发器在不同光照强度下的太阳能界面蒸发性能（图6a-6c）。发现随着光照强度增加，蒸发器的蒸发速率增大，而太阳能-蒸汽转换效率降低。将在一个太阳光照射条件下蒸发器的蒸发速率、太阳能-蒸汽转换效率与已报道的基于贵金属纳米晶体蒸发器和流动蒸发器的这两个性能参数进行了比较（图6d），结果发现蒸发器表现出最高的太阳能蒸汽转化效率和蒸发速率效率。此外，与已报道的基于贵金属纳米晶体的蒸发器相比，蒸发器的金属用量相对较低（0.027 mg cm −2）(图6e)。此外，作者进一步研究了蒸发器的长期蒸发稳定性，发现在连续40 h蒸发过程中，蒸发速率保持在~3 kg m −2 h −1（图6f）。
图6 有效耦合了光热转换、热局域和供水的蒸发器在不同光照条件下蒸发性能和稳定性
（6）在实验室条件和户外条件下蒸发器的海水淡化性能
最后，作者考察了具有最佳蒸发性能的蒸发器对高浓度盐水、真实海水的蒸发性能（图7a）。结果发现，蒸发器在3.5 wt%，7 wt%和10 wt% NaCl溶液中都表现出较为稳定的蒸发速率。在一个太阳光的光照条件下，蒸发器对厦门海域海水表现出2.84 kg m −2 h −1的稳定蒸发速率（图7b）和92.3%的太阳能-蒸汽的转换效率。这些性能参数均高于许多已报道的2D界面蒸发器对纯水的蒸发性能。在连续3天的户外蒸发测试中，蒸发器表现出9.56~9.88 kg m -2的淡水日产量（图7e）。同时，将收集的淡水和海水进行ICP的测试，得出K +、Na +、Mg 2+和Ca 2+的浓度并计算除盐率。结果发现，蒸发器对真实海水表现出约为99.89%除盐效率（图7f）。
图7 蒸发器的太阳能海水淡化性能
小结：以金纳米棒为核心合成金银钯纳米晶作为光吸收体，在实现光吸收带宽与光热转换效率并举的同时有效降低了金属纳米晶的用量。Janus纳微结构作为光吸收体和隔热体，在提供微米尺度内的热局域的同时，通过聚苯乙烯的近场散射增强了Au@Ag-Pd纳米晶的光吸收。此外，Janus纳微结构将供水体表面分隔出多个具有亚微米深度的小供水区。这些小供水区的存在、单向供水体中聚乙烯醇组分与水分子之间的氢键共同导致了所构建的太阳能界面蒸发器表面水的蒸发焓的降低。通过控制供水体的组分比例来调控供水量，从而获得了供水量与光热转换所产生的热量之间的平衡。由于光吸收体、隔热体和供水体的协同作用，在1个太阳照明下，蒸发器对纯水的太阳能界面蒸发实现了99.1%的太阳能-水蒸气转换效率和3.04 kg m −2 h −1的蒸发速率。此蒸发性能优于目前已报道的基于贵金属纳米晶的太阳能蒸发器和流动蒸发器的性能，并且蒸发器所用的贵金属用量相对较低（0.027 mg cm −2）。在一个太阳光的光照条件下，蒸发器对高浓度盐水、厦门海域海水都表现较为稳定的蒸发速率。此外，蒸发器的海水淡化性能优异，除盐率接近100%。本研究所提出的光热转换、热局域和水供应的有效耦合促成了高效的界面蒸发过程，并为指导高效界面蒸发系统的设计提供了新的思路。
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来源：高分子科学前沿
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