能源與水資源短缺問題一直是高度相關(guān)的兩大全球性的問題。隨著對(duì)金屬微結(jié)構(gòu)界面調(diào)控研究的不斷深入，利用等離激元增強(qiáng)太陽(yáng)能蒸水成為近年來光熱領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；诘入x激元微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的光-聲轉(zhuǎn)換為高效利用太陽(yáng)能進(jìn)行水純化提供了可行的解決方案，引起了研究人員極大的興趣，也促進(jìn)了近年來等離激元材料創(chuàng)制、光熱轉(zhuǎn)換機(jī)理、調(diào)控與應(yīng)用的發(fā)展。

近日，西安交通大學(xué)趙宇鑫課題組利用聚吡咯彈性體固化交聯(lián)與定向冷凍干燥成型技術(shù)，成功制備了大塊仿生結(jié)構(gòu)的高彈性耐疲勞五孿晶銅 聚吡咯核殼納米線（Cu PPy NW）氣凝膠組裝體材料。

該材料在4000W/m2光強(qiáng)輻照下可于1分鐘內(nèi)快速升溫至220℃以上的高溫，并在1個(gè)太陽(yáng)的光照強(qiáng)度下輕松實(shí)現(xiàn)97.6%的光熱轉(zhuǎn)換效率和2.09 kg/m2h的蒸水速率。其設(shè)計(jì)理念主要基于：五孿晶銅納米線具有很強(qiáng)的表面等離激元效應(yīng)（SPPs），其獨(dú)特的法布里-珀羅共振失穩(wěn)導(dǎo)致的朗道阻尼效應(yīng)可使熱電子更多轉(zhuǎn)換為聲子；聚吡咯外殼可以顯著拓寬光譜吸收范圍，同時(shí)兼具低導(dǎo)熱特性以減小光熱能量的傳導(dǎo)損耗；氣凝膠三維結(jié)構(gòu)中廣泛分布的介孔結(jié)構(gòu)，其尺寸普遍小于空氣分子的自由程，從而有效地抑制層間的熱對(duì)流傳熱；同時(shí)，氣凝膠材料中定向貫通的大孔結(jié)構(gòu)對(duì)水蒸氣的傳質(zhì)運(yùn)輸增益，也對(duì)光熱蒸水效率的提升也起到了關(guān)鍵作用。

圖1高彈性耐疲勞五孿晶銅 聚吡咯核殼納米線氣凝膠組裝體材料示意圖

此外，為了闡明材料表面近場(chǎng)光熱轉(zhuǎn)換的物理原理，研究團(tuán)隊(duì)分別采用了定制化的導(dǎo)電原子力探針（CAFM）、開爾文探針（KPFM）、量熱掃描探針（SThM）和掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微聯(lián)用系統(tǒng)（SNOM）原位測(cè)量獲取了單根基元材料上激發(fā)態(tài)熱電子、肖特基勢(shì)壘、微小熱流等特征參數(shù)，并直觀證實(shí)了光子在共格孿晶銅表面沿納米線軸向波導(dǎo)傳遞以及熱電子弛豫過程。

該研究系統(tǒng)定量分析了Cu PPy納米線材料的結(jié)構(gòu)-功能相關(guān)性，證實(shí)了表面等離子體介導(dǎo)的光子-聲子能量轉(zhuǎn)移模型中波動(dòng)電動(dòng)力學(xué)模型的基本正確性。這些結(jié)果為近場(chǎng)光-物質(zhì)交互作用中的內(nèi)在耦合關(guān)聯(lián)提供了明確證據(jù)，初步解釋了顯著增強(qiáng)的跨尺度、跨介質(zhì)光熱轉(zhuǎn)換機(jī)制。等離激元納米材料提供了一種獨(dú)特的能量轉(zhuǎn)化與分配平臺(tái)，研究這種特殊微區(qū)環(huán)境下的理化過程不僅具有重要的基礎(chǔ)研究意義，而且為促進(jìn)光驅(qū)動(dòng)能量轉(zhuǎn)化提供了一條新的途徑。

圖2單根納米材料表面等離子體介導(dǎo)的光子-聲子轉(zhuǎn)換近場(chǎng)研究

相關(guān)成果以“基于等離激元近場(chǎng)強(qiáng)化工程的銅 聚吡咯核殼納米線光蒸水組裝體材料”（Engineering a Copper Polypyrrole Nanowire Network in the Near Field for Plasmon Enhanced Solar Evaporation）為題發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)-納米》（ACS Nano）上。

該研究工作由西安交通大學(xué)化工學(xué)院趙宇鑫研究員團(tuán)隊(duì)完成，化工學(xué)院博士研究生王維、助理教授嚴(yán)孝清，能動(dòng)學(xué)院博士研究生耿嘉峰為該文章共同第一作者，趙宇鑫研究員為通訊作者。

該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中石油創(chuàng)新基金、西安交通大學(xué)青年拔尖人才支持計(jì)劃等項(xiàng)目的大力支持。

趙宇鑫簡(jiǎn)介：

西安交通大學(xué)研究員，博士生導(dǎo)師，西安交通大學(xué)青年拔尖人才。2015-2019年任中國(guó)石化安全工程研究院高級(jí)工程師，圍繞“工業(yè)安全監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處置材料器件”開展從基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)到工程示范的全鏈條研發(fā)工作。近年來研究興趣聚焦在危險(xiǎn)介質(zhì)的智能感知與納米原位測(cè)量相關(guān)領(lǐng)域。迄今所研發(fā)核心技術(shù)獲得中國(guó)石化前瞻性基礎(chǔ)性研究科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，授權(quán)發(fā)明專利11項(xiàng)，美日歐多國(guó)專利2項(xiàng)，發(fā)表SCI論文40余篇。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05789

注：本文轉(zhuǎn)自西安交通大學(xué)化工學(xué)院。