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能源與水資源短缺問題一直是高度相關的兩大全球性的問題。隨著對金屬微結構界面調控研究的不斷深入，利用等離激元增強太陽能蒸水成為近年來光熱領域的研究熱點。基于等離激元微結構增強的光-聲轉換為高效利用太陽能進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，也促進了近年來等離激元材料創制、光熱轉換機理、調控與應用的發展。

近日，西安交通大學趙宇鑫課題組利用聚吡咯彈性體固化交聯與定向冷凍干燥成型技術，成功制備了大塊仿生結構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光強輻照下可于1分鐘內快速升溫至220℃以上的高溫，并在1個太陽的光照強度下輕松實現97.6%的光熱轉換效率和2.09 kg/m2h的蒸水速率。其設計理念主要基于：五孿晶銅納米線具有很強的表面等離激元效應（SPPs），其獨特的法布里-珀羅共振失穩導致的朗道阻尼效應可使熱電子更多轉換為聲子；聚吡咯外殼可以顯著拓寬光譜吸收范圍，同時兼具低導熱特性以減小光熱能量的傳導損耗；氣凝膠三維結構中廣泛分布的介孔結構，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流傳熱；同時，氣凝膠材料中定向貫通的大孔結構對水蒸氣的傳質運輸增益，也對光熱蒸水效率的提升也起到了關鍵作用。

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光熱轉換的物理原理，研究團隊分別采用了定制化的導電原子力探針（CAFM）、開爾文探針（KPFM）、量熱掃描探針（SThM）和掃描近場光學顯微聯用系統（SNOM）原位測量獲取了單根基元材料上激發態熱電子、肖特基勢壘、微小熱流等特征參數，并直觀證實了光子在共格孿晶銅表面沿納米線軸向波導傳遞以及熱電子弛豫過程。

該研究系統定量分析了Cu PPy納米線材料的結構-功能相關性，證實了表面等離子體介導的光子-聲子能量轉移模型中波動電動力學模型的基本正確性。這些結果為近場光-物質交互作用中的內在耦合關聯提供了明確證據，初步解釋了顯著增強的跨尺度、跨介質光熱轉換機制。等離激元納米材料提供了一種獨特的能量轉化與分配平臺，研究這種特殊微區環境下的理化過程不僅具有重要的基礎研究意義，而且為促進光驅動能量轉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的光子-聲子轉換近場研究

相關成果以“基于等離激元近場強化工程的銅 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）為題發表在國際權威期刊《美國化學會-納米》（ACS Nano）上。

該研究工作由西安交通大學化工學院趙宇鑫研究員團隊完成，化工學院博士研究生王維、助理教授嚴孝清，能動學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。

該論文得到了國家自然科學基金、中石油創新基金、西安交通大學青年拔尖人才支持計劃等項目的大力支持。

趙宇鑫簡介：

西安交通大學研究員，博士生導師，西安交通大學青年拔尖人才。2015-2019年任中國石化安全工程研究院高級工程師，圍繞“工業安全監測與應急處置材料器件”開展從基礎研究、關鍵技術開發到工程示范的全鏈條研發工作。近年來研究興趣聚焦在危險介質的智能感知與納米原位測量相關領域。迄今所研發核心技術獲得中國石化前瞻性基礎性研究科學獎一等獎，授權發明專利11項，美日歐多國專利2項，發表SCI論文40余篇。

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

注：本文轉自西安交通大學化工學院。