全世界有超過十億人缺乏淡水，而且問題會越來越嚴(yán)重——據(jù)估計，到2025年世界人口高達三分之二可能面臨缺水問題。與之相對，海水資源相當(dāng)豐富，將海水淡化為飲用水是個很好的選擇。但目前主流的膜過濾技術(shù)，耗能大成本高，對于淡水資源更缺乏的發(fā)展中國家來說是很大的負(fù)擔(dān)。不算是新技術(shù)的太陽能蒸餾海水淡化沒有耗能問題，但光熱轉(zhuǎn)換效率效率太低，淡水產(chǎn)量難以符合大規(guī)模使用的需求。科學(xué)家們曾試圖使用金屬納米顆粒來提高太陽能蒸餾的效率，效果較好的是金（gold）或者其他貴金屬納米顆粒，但價格昂貴又成了新的問題。

    最近，南京大學(xué)朱嘉（Jia Zhu）教授課題組在太陽能海水淡化方面取得了重要進展，他們發(fā)明了等離激元增強的太陽能海水淡化（plasmon-enhanced solar desalination）裝置，核心部件是鋁納米粒子自組裝而成的三維多孔膜，能量傳遞效率高達90%左右，淡化前后水的鹽度可降低4個數(shù)量級。該工作發(fā)表在《Nature Photonics》上，副研究員周林（Lin Zhou）和碩士生譚穎玲（Yingling Tan）為論文的共同第一作者。（3D self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon-enhanced solar desalination. Nature Photonics, DOI: 10.1038/nphoton.2016.75）

    朱嘉教授介紹說，“海水淡化通常是對海水加溫，取得蒸餾水。這個過程中，能量消耗非常多。如果只加熱水表面的一層分子，水在變成蒸汽的過程中，整體水溫就可以維持不變。”針對這一目標(biāo)，研究人員們發(fā)明了等離激元鋁黑體材料，該材料包括三個部分，近乎透明的含納米孔陣列的陽極氧化鋁膜（AAM），納米孔側(cè)壁上密集堆積的鋁納米顆粒，以及在陽極氧化鋁膜上面的鋁薄層（如下圖）。

等離激元鋁黑體材料自組裝工藝及光學(xué)照片對比圖

    納米孔直徑大約300納米，形成的納米孔陣列可以阻止光反射離開并使其在膜內(nèi)散射，增加光被吸收的幾率。鋁納米顆粒的局域等離激元光學(xué)共振效應(yīng)，使得與水接觸的鋁納米顆粒附近區(qū)域產(chǎn)生極高的局部溫度和電磁場增強效應(yīng)，水蒸汽可快速有效地產(chǎn)生，并可借助多孔結(jié)構(gòu)快速逃離。一般來說，普通的鋁只在紫外光波段有很好的光吸收效率，但這種以鋁為唯一原材料的新材料則在超寬太陽光譜（400-2500 nm）范圍內(nèi)具有超高光吸收效率（平均>96%），這保證了高達90%的能量傳遞效率。

掃描電子顯微鏡圖片

    另外，研究人員們所使用的自組裝制備方法，簡單且可規(guī)模化。實驗證明，這種新材料的海水淡化性能優(yōu)異、穩(wěn)定，耐用性好，很有希望用于高效太陽能海水淡化的實際應(yīng) 用。使用這種材料，“死海、波羅的海、渤海等各種鹽度的海水，經(jīng)過淡化后都可以達到國際飲用水標(biāo)準(zhǔn)。”朱嘉教授說。

    Science網(wǎng)站也對這一成果以新聞的形式進行了高度評價，標(biāo)題為：New water purification system could help slake the world's thirst（DOI: 10.1126/science.aaf5666）。

    參考文獻：

    1. http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2016.75.html

    2. http://www.sciencemag.org/news/2016/04/new-water-purification-system-could-help-slake-world-s-thirst

    3. http://news.nju.edu.cn/show_article_1_41890

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