氧化硅外包金属的核壳纳米结构制备与太阳能蒸汽的机理研究

Novel silica core-shell metal nanostructures can convert solar energy into thermal energy due to the suface-plasmon resonance absorption, resulting in the genaration of vapor.This novel application didn't attract any real attention until just recently. It is reasonable to revel in its great promising perspective because it can generate vapor directly for electricity,desalinization, distillation and so on, with green approaches and low thermal loss. Traditional metal nanostructures used in the field of photothermal energy conversion were designed for therapy of cancer by adopting the near-infrared laser as the excitation light source.In order to convert solar energy into thermal energy with high performance for the production of vapor, this study, at first, aims at designing novel metal nanostructures whose morphologies,sizes and compositions are suitable for the solar-thermal energy conversion, by using the plasmon resonance theory and effective medium theory.Then, new synthesis processes and evolution mechanism of novel metal nanostructures should be obtained by analyzing the thermodynamic and kinetic controls parameters. Finally,the thermodynamic process of bubble will be investigated carefully so that the solar-thermal energy conversion mechanism can be well understood.This work will not only extend the applications of metal nanostructures into solar energy utiliztion but also greatly promote their applications in other fields.

核壳纳米结构在液相中利用等离子共振吸收性质转换太阳能为热能并产生蒸汽的研究2013年首次被ACS Nano杂志报道。太阳能蒸汽清洁环保，中间热损失少，可直接利用产生的蒸汽发电、海水淡化及蒸馏分离等，具有广阔的应用前景。传统用于光热转换的金属纳米结构主要是针对癌细胞的光热治疗而开发，采用的激发光源为近红外激光。本项目针对能流密度低光谱范围宽的太阳能光源，以高效转换太阳能为热能并产生蒸汽为研究目标，提出利用等离子共振吸收理论和有效媒质理论设计出形貌、尺寸和组成适合吸收太阳能并转换为热能的新型氧化硅外包金属纳米结构，结合金属纳米结构从成核到最终生长成目标产物的动力学和热力控制，探索出氧化物外包金属纳米结构的合成新工艺并分析出演化机理。最后分析气泡的热动力学过程以期深入理解液相中的光热转换机理。该研究结果不仅可以拓宽金属纳米材料应用，提高太阳能效率，而且对材料光化学等领域的应用也具有重要意义。

高效的太阳能转换与利用被视为国家能源的重大需求。其中，光-热（蒸汽）转化是太阳能光热利用领域广泛涉及的重要物理过程。然而由于光学和热学的损耗，传统基于体积加热的蒸发系统存在能量转换效率低、响应速度慢等问题，还需要在太阳能光热转换材料、蒸发系统结构、系统绝热设计等方面的改善与优化，促进光、热、水、汽的协同管理，推动太阳能能量高效转化与应用环境多样化发展。本基金项目中调控了银纳米颗粒、金纳米棒的形状和尺寸，采用多种方法优化材料合成，使之具有局域表面等离子共振吸收与太阳光谱相匹配的能力，很大程度解决了响应速度慢和吸收体光学损耗问题（Sol. RRL 1(2017)1600023、Sustain. Mater. Technol. 19(2019)e00090）。随后设计“模拟蒸腾系统”，实现吸收体与水体的一维通道间接接触，并在中间增加隔热层，大大降低了系统的热损耗（Sol. RRL 2(2018)1800073、Mater. Today Energy 8(2018)166-173、Appl. Energy 241(2019)652-659）。为减低成本，推动太阳能蒸汽技术的产业化，除了金，银纳米颗粒以为，我们也探索了生物质类材料：木头和橘子皮碳化以及常规碳素墨水复合纸基，海绵等材料，设计新型蒸发器结构，突破常规蒸发器的极限，对于墨水基海绵的三维结构，一个太阳的情况下取得2.15 kg m-2 h-1的蒸发量。低成本，结构简单，高产水量的太阳能光热蒸汽材料及蒸发器的研究为太阳能光热利用开辟了新应用。