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近幾十年來，淡水資源缺乏和能源危機已成為全球范圍兩個急需解決的問題。

占世界人口40％的80個(ge)國家嚴(yan)重(zhong)缺水，預(yu)計到2025年(nian)，將有(you)近三分之二的國家陷入淡(dan)水短缺的困境。與此同時，全(quan)球能源現(xian)狀也令人擔憂，因為(wei)化(hua)石能源枯(ku)竭和使(shi)用化(hua)石燃(ran)料造成(cheng)的環境污染困擾著(zhu)人類。

為(wei)了緩解淡(dan)水資源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)短缺以及(ji)能(neng)源(yuan)(yuan)危(wei)機(ji)，人們對利用太(tai)陽能(neng)為(wei)代表的(de)(de)(de)綠色能(neng)源(yuan)(yuan)來生(sheng)產淡(dan)水和發(fa)電，充滿更(geng)高的(de)(de)(de)期待(dai)。但支撐這(zhe)個(ge)美好愿景(jing)的(de)(de)(de)，是亟待(dai)攻克的(de)(de)(de)高效光熱(re)轉換材料，它必須同時具(ju)備高太(tai)陽能(neng)吸收(shou)性、高光熱(re)轉換性、低成本以及(ji)良好的(de)(de)(de)材料穩定性。

科技(ji)日報記(ji)者1月(yue)28日從(cong)云南大學(xue)獲(huo)悉，該校萬艷芬、楊(yang)鵬團隊(dui)結合(he)學(xue)科優勢和區(qu)域(yu)產業優勢，在制備具有(you)優異光吸收(shou)性(xing)和更高光熱(re)轉換效(xiao)率的復合(he)材料方面已(yi)經(jing)取得了實質性(xing)進展，最(zui)新一(yi)期國際著名期刊《納米能(neng)源》（Nano Energy）發表了這(zhe)一(yi)成果，并引發業界(jie)的關注。

在稀貴金屬王國淬煉高效能光熱材料

數十年來，盡管科研工作者對不同(tong)的光熱材料進行了廣泛的研究，并在有些區域(yu)形(xing)成了產業集群。太陽能因為其(qi)清(qing)潔綠色環保(bao)可持續等特點，一直備受(shou)青睞(lai)。

“傳(chuan)統(tong)的(de)(de)太陽能(neng)集(ji)熱(re)(re)(re)器裝置，是以(yi)納米流體為(wei)集(ji)熱(re)(re)(re)介質(zhi)，它對太陽光(guang)輻射的(de)(de)吸收有限(xian)(xian)，并(bing)且(qie)對外熱(re)(re)(re)損(sun)失較(jiao)大，導致光(guang)熱(re)(re)(re)轉換(huan)效(xiao)率很低(di)，其(qi)實際(ji)應用非常受限(xian)(xian)。”云南大學能(neng)源(yuan)與材(cai)(cai)料學院(yuan)副教授萬艷芬告訴記者，近年來“界面(mian)太陽能(neng)光(guang)蒸汽(qi)系(xi)統(tong)”引起了(le)研究者的(de)(de)廣(guang)泛關注(zhu)，該(gai)(gai)系(xi)統(tong)可以(yi)通過(guo)吸收器和(he)蒸發器的(de)(de)優化構筑，能(neng)夠實現高效(xiao)水凈化處理(li)，能(neng)源(yuan)捕獲(huo)與熱(re)(re)(re)管理(li)，衛生滅菌以(yi)及發電。光(guang)熱(re)(re)(re)材(cai)(cai)料作(zuo)為(wei)該(gai)(gai)轉換(huan)系(xi)統(tong)的(de)(de)核心，其(qi)創新型構筑尤為(wei)關鍵，如何設(she)計和(he)制備優異的(de)(de)光(guang)熱(re)(re)(re)材(cai)(cai)料以(yi)實現高效(xiao)的(de)(de)光(guang)蒸汽(qi)轉化，至關重要。但由于其(qi)有限(xian)(xian)的(de)(de)光(guang)熱(re)(re)(re)轉換(huan)效(xiao)率，傳(chuan)統(tong)單組分材(cai)(cai)料還不能(neng)滿(man)足實際(ji)需要。

影響系統(tong)光熱轉換(huan)效率(lv)的(de)(de)因素有很多，光熱材料(liao)(liao)的(de)(de)作用尤為關鍵。云南大學萬(wan)艷(yan)芬研(yan)(yan)(yan)究組通過云南省創新推(tui)進的(de)(de)稀貴(gui)金屬材料(liao)(liao)基因工程研(yan)(yan)(yan)發的(de)(de)大數據和(he)(he)高通量制備平臺，利用云南稀貴(gui)金屬原料(liao)(liao)富(fu)集、產業(ye)鏈完善的(de)(de)優勢，將等(deng)離子體(ti)(ti)貴(gui)金屬、半導體(ti)(ti)和(he)(he)碳基材料(liao)(liao)復(fu)合(he)，形(xing)成了(le)新材料(liao)(liao)研(yan)(yan)(yan)發思(si)路。

“由(you)于三者(zhe)的(de)(de)協同效(xiao)(xiao)應，使得金(jin)(jin)-鉬酸(suan)鉍-碳(tan)點(dian)復合(he)材料(liao)具有97.1%的(de)(de)光熱轉(zhuan)換效(xiao)(xiao)率。特別(bie)是金(jin)(jin)納米(mi)錐(zhui)和碳(tan)點(dian)的(de)(de)加入，由(you)于電子(zi)由(you)鉬酸(suan)鉍轉(zhuan)移到金(jin)(jin)錐(zhui)和碳(tan)點(dian)的(de)(de)表(biao)面，有效(xiao)(xiao)地抑制了鉬酸(suan)鉍中電子(zi)-空穴對的(de)(de)復合(he)，從而極大地增強了材料(liao)的(de)(de)光熱性能(neng)。”云南(nan)大學(xue)材料(liao)與能(neng)源學(xue)院楊(yang)鵬(peng)副教授向記(ji)者(zhe)介紹。

此外，將(jiang)復合材料(liao)沉積(ji)在商用溫差(cha)發電片上(shang)，可制成太陽能溫差(cha)發電器件(jian)。結果顯示，該(gai)器件(jian)具有增強(qiang)的熱(re)電性(xing)能，其輸出功率高(gao)(gao)達每(mei)平方厘米97.4微瓦(wa)。這為高(gao)(gao)效光熱(re)轉換材料(liao)的研究提(ti)供了重(zhong)要實驗依據，同時(shi)也為海水(shui)淡化和新能源(yuan)器件(jian)及(ji)系統研發帶來新思路。

從植物王國的生物質材料獲取結構靈感

除了(le)材料的組分，微(wei)妙的結構也影響著光(guang)熱轉換的效率。

作為21世紀發展新(xin)材(cai)(cai)料(liao)領(ling)域的(de)(de)重大(da)方向(xiang)之一，仿生材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)將(jiang)融入信息通信、人工智能(neng)、創(chuang)新(xin)制(zhi)造等高(gao)新(xin)技(ji)術，逐漸使傳統意義上的(de)(de)結構材(cai)(cai)料(liao)與功能(neng)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)分界(jie)消失(shi)，實現材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)智能(neng)化、信息化、結構功能(neng)一體化。此前，國內外研(yan)究(jiu)(jiu)新(xin)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)科學家(jia)，次第將(jiang)視線投射(she)(she)到光熱反射(she)(she)效率較高(gao)的(de)(de)結構領(ling)域，并從經過(guo)億(yi)萬年(nian)自然(ran)選擇和進化的(de)(de)溫帶、寒帶常見植(zhi)物身上不斷(duan)獲(huo)得(de)了靈感，試圖低成本、高(gao)效率制(zhi)造出新(xin)型材(cai)(cai)料(liao)。

“雖然(ran)難(nan)得有出門旅行的(de)機會，但我(wo)們研(yan)究組(zu)的(de)同(tong)學(xue)們都千方百計在便利(li)的(de)情況下找(zhao)尋一些組(zu)織結(jie)構(gou)特別的(de)植(zhi)物(wu)，回(hui)來后進行碳化處(chu)理，從而找(zhao)到不同(tong)的(de)結(jie)構(gou)，支持新復(fu)合材料結(jie)構(gou)的(de)研(yan)究。”云(yun)南(nan)大學(xue)材料與(yu)能源學(xue)院研(yan)究生耿學(xue)敏(min)說。

他們把常見的(de)玫瑰(gui)、玉米秸稈以及(ji)咖啡(fei)三種(zhong)生物質碳(tan)化前后(hou)(hou)的(de)三維掃描圖像進行(xing)對比(bi)后(hou)(hou)發現(xian)，與咖啡(fei)碳(tan)材料(liao)的(de)三維雜(za)亂和不規則(ze)形狀相比(bi)，花(hua)苞狀玫瑰(gui)碳(tan)材料(liao)的(de)內(nei)壁可(ke)以有效地(di)對光進行(xing)全吸收，并在(zai)這(zhe)些(xie)受限空(kong)間內(nei)實現(xian)多(duo)級(ji)反射(she)。“收集和利用這(zhe)種(zhong)結構，是因為這(zhe)種(zhong)結構像一顆洋蔥頭，只有一個很小的(de)開(kai)口，光進來之后(hou)(hou)，就被限制(zhi)在(zai)這(zhe)個‘小口袋’里，光熱從小孔‘逃(tao)逸(yi)’出去(qu)的(de)幾率(lv)就要(yao)小很多(duo)，可(ke)以實現(xian)光的(de)不斷反射(she)，從而提高了光熱轉換(huan)效率(lv)。”萬艷芬說。

同(tong)樣的原理也(ye)適用于玉米秸稈中(zhong)圓柱形通道微結構(gou)(gou)。“這兩種結構(gou)(gou)都能(neng)(neng)夠有效(xiao)減少(shao)能(neng)(neng)量損(sun)失，因(yin)為(wei)花苞狀(zhuang)和圓柱壁(bi)可(ke)(ke)以(yi)減少(shao)受限空(kong)間內部的熱輻(fu)射損(sun)失，并且使光(guang)在空(kong)間內部進行反(fan)射減少(shao)損(sun)失。”楊鵬(peng)介紹，此外(wai)，在玫瑰粉末3D折(zhe)疊(die)(die)花瓣(ban)狀(zhuang)結構(gou)(gou)中(zhong)，也(ye)可(ke)(ke)觀察到光(guang)的多重反(fan)射，這一結構(gou)(gou)與中(zhong)國折(zhe)紙相似，光(guang)進行多重反(fan)射的特殊(shu)結構(gou)(gou)面積，隨著折(zhe)疊(die)(die)花瓣(ban)結構(gou)(gou)的增(zeng)多而增(zeng)大，可(ke)(ke)以(yi)獲(huo)得高達99%的光(guang)吸收(shou)率。

玉米秸稈、玫(mei)(mei)瑰(gui)和咖啡碳(tan)材料的光(guang)熱轉(zhuan)換效(xiao)率分(fen)別可以達到(dao)93.4%、92.8%和76%。由此可以看出(chu)，具有(you)花苞狀結構的玫(mei)(mei)瑰(gui)碳(tan)粉和圓柱狀的玉米秸稈碳(tan)粉由于其微結構的存在可吸收更(geng)(geng)多(duo)的光(guang)而具有(you)更(geng)(geng)高的光(guang)熱轉(zhuan)換效(xiao)率。經光(guang)熱性(xing)能測試(shi)，水(shui)蒸發率達每平方米小(xiao)時(shi)1.69千克。

但研究團隊并不止簡單直接利用(yong)生物(wu)質材料(liao)的(de)結(jie)構，而是加以提煉、簡化，使材料(liao)的(de)結(jie)構更(geng)利于光熱轉換效能的(de)提升和制備(bei)的(de)便利化。

“獲(huo)得(de)植物組織的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原始結(jie)構(gou)之后，我(wo)們還想(xiang)加入納米材(cai)料(liao)，把納米材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微觀(guan)序(xu)(xu)和生(sheng)物質材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)宏觀(guan)序(xu)(xu)結(jie)合起來(lai)，能夠讓新材(cai)料(liao)與光(guang)相互作用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)波長范圍拓展(zhan)得(de)非常寬，也(ye)就是說，形成兩個不同(tong)尺(chi)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)有序(xu)(xu)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)組合。”萬艷芬(fen)說，如(ru)同(tong)漂亮的(de)(de)(de)(de)(de)(de)甲蟲、絢爛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)蝴蝶(die)或色(se)彩繽紛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)花朵，基于成分、結(jie)構(gou)，陽光(guang)會(hui)帶來(lai)了豐(feng)富的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化，這也(ye)可以(yi)賦予(yu)材(cai)料(liao)更(geng)豐(feng)富的(de)(de)(de)(de)(de)(de)性能。這樣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)話，未來(lai)一(yi)個小(xiao)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)裝(zhuang)備，就能就解決多個應用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)問題。

新型復合光熱材料應用前景廣闊

“與(yu)傳統的(de)(de)單(dan)組分(fen)(fen)光(guang)(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)材(cai)(cai)料如金、銀、二硫化鉬、碳(tan)(tan)納米管、石墨烯等相比(bi)較(jiao)，我們所(suo)制備材(cai)(cai)料的(de)(de)特點主要表現在兩方面(mian)：多元材(cai)(cai)料的(de)(de)復合以及將生(sheng)物質廢(fei)料變(bian)廢(fei)為(wei)寶。”萬艷芬向記者介紹，他們已成功制備的(de)(de)金-鉬酸(suan)鉍-碳(tan)(tan)點、硫化鉍-鈀(ba)等，是雜化多種材(cai)(cai)料組元以獲(huo)得(de)的(de)(de)復合材(cai)(cai)料，通過多元材(cai)(cai)料之間(jian)的(de)(de)協同作用，獲(huo)得(de)具(ju)有窄(zhai)帶(dai)隙的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)材(cai)(cai)料，表現出優于(yu)單(dan)組分(fen)(fen)甚至單(dan)組分(fen)(fen)所(suo)不具(ju)備的(de)(de)新(xin)生(sheng)性(xing)能，進(jin)而提升光(guang)(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)轉換效(xiao)率；另一方面(mian)對(dui)成本低(di)廉(lian)、易(yi)獲(huo)得(de)且環境(jing)友好(hao)型(xing)生(sheng)物質廢(fei)料進(jin)行碳(tan)(tan)化處(chu)理，仍然保持其獨特的(de)(de)原(yuan)生(sheng)微結構，可(ke)以進(jin)行高效(xiao)光(guang)(guang)(guang)(guang)吸(xi)收和(he)(he)水(shui)運輸，獲(huo)得(de)出色的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)轉換效(xiao)果(guo)，賦予了材(cai)(cai)料設計思路(lu)較(jiao)大(da)的(de)(de)新(xin)穎性(xing)和(he)(he)創新(xin)途(tu)徑(jing)。

此前，傳(chuan)統的(de)光(guang)熱轉(zhuan)換(huan)材料(liao)就(jiu)只考慮光(guang)熱這(zhe)一(yi)項，比如說(shuo)通過光(guang)照，就(jiu)有集(ji)熱的(de)性能，但(dan)現在(zai)，他(ta)們正試圖往多功能集(ji)成方面去發展，不僅具有基本(ben)的(de)光(guang)熱轉(zhuan)換(huan)功能，還需要同時兼容(rong)其他(ta)功能。

由于擁有卓越的集(ji)熱性能(neng)，具有優異良好光(guang)熱轉換效果的復合(he)材(cai)(cai)料和(he)(he)生物(wu)質碳材(cai)(cai)料可以應用在(zai)海(hai)水淡化、溫差發(fa)電(dian)(dian)、水伏發(fa)電(dian)(dian)、濕度發(fa)電(dian)(dian)等方(fang)面，為解決(jue)能(neng)源(yuan)危機(ji)、緩(huan)解淡水資(zi)源(yuan)短(duan)缺等問題提供了(le)新的思路(lu)和(he)(he)解決(jue)方(fang)法(fa)。“在(zai)海(hai)防(fang)和(he)(he)遠洋實驗中，新材(cai)(cai)料可為海(hai)上浮標提供能(neng)源(yuan)，而不必再耗時(shi)耗力去更換電(dian)(dian)池。這些成果正在(zai)逐步推(tui)廣和(he)(he)應用。”萬艷(yan)芬介紹說。

此外，隨著研(yan)究(jiu)的(de)發(fa)(fa)展和(he)深入，研(yan)究(jiu)團隊還(huan)在生物質碳材(cai)料以(yi)及復合材(cai)料等(deng)在發(fa)(fa)電、人體可穿戴健康檢測傳感器等(deng)方面看到了廣泛的(de)應用空間和(he)潛(qian)力。

“如(ru)復(fu)合(he)(he)了(le)光熱材(cai)料的(de)聚(ju)丙烯(xi)酰胺-聚(ju)丙烯(xi)酸水凝(ning)膠，就表現出了(le)出色的(de)可(ke)塑性(xing)、彈性(xing)以及(ji)穩定(ding)的(de)應變-電(dian)壓響應，我們把(ba)它佩戴(dai)到多名參測(ce)人員的(de)指關(guan)節上，顯示了(le)高靈敏(min)度的(de)傳感能(neng)(neng)力(li)，可(ke)實時(shi)監(jian)測(ce)人體(ti)肌肉力(li)量和關(guan)節健康(kang)狀況(kuang)。”耿學(xue)敏(min)說(shuo)，他們還制(zhi)備了(le)集(ji)合(he)(he)太陽能(neng)(neng)蒸汽轉換(huan)，溫差發電(dian)和可(ke)穿戴(dai)傳感的(de)器件級多功能(neng)(neng)集(ji)成系統。在飛速(su)發展的(de)物聯網時(shi)代，這些新材(cai)料為自驅動的(de)多功能(neng)(neng)集(ji)成設備提供(gong)了(le)新的(de)設計(ji)思(si)路和啟發。