​重庆大学李猛Nano Energy：仿生能源策略助力高效稳定界面太阳能水蒸发

近年来，淡水资源匮乏和能源问题已经成为世界各国面临的主要难题。海水淡化是解决淡水问题的有效方法，应用界面太阳能蒸发系统的太阳能海水淡化技术由于其环保、节能、高效的特点引起了广泛的关注。其中具有柔性，重量轻等特点的薄膜材料可以通过热限域加热表面水体，在界面太阳能蒸发的研究中备受青睐，然而受限于其厚度薄，提高其光热转换能力成为了主要挑战。大量研究侧重于寻找具有高吸光能力的光热转换材料将其负载于膜表面提高蒸发效率，然而，在材料的固有吸光特性之外，关于与膜表面微纳结构对光热蒸发性能影响的研究仍有缺乏，这限制了光热效率的进一步提高。

图1 仿生光热转换膜示意图

大自然是最优杰出的结构设计师，得益于其精巧的结构设计，许多动植物深谙太阳能利用之道。例如，一些黑色的蝴蝶在翅膀上进化出了独特的微纳结构有效吸收太阳光用以调节机体温度。有鉴于此，重庆大学-新加坡国立大学新能源材料与器件联合实验室李猛课题组（重庆大学柔性可再生能源材料与器件研究团队）对黑色蝴蝶翅膀表面的微纳结构进行研究，分析了其高效吸收太阳光的机理，并运用仿生策略制备了一种具有陷光微纳结构的太阳能光热转换膜材料应用于环境友好、低成本的界面太阳能水蒸发系统。同时受植物根细胞选择性离子通道的启发，借助离子通道设计对提高膜隔盐性能也进行了研究。该膜材料具有优异的蒸发率（1.33 kg m^-2 h^-1）和光热转换效率（~85.2%），并且在海水中重复使用40次后仍能维持81.4%的效率。本研究采用学科交叉的研究思路，利用数值计算和实验等方法探究了仿生微纳结构设计对膜表面光热转换的影响机理，从微纳结构设计角度为进一步提高膜类太阳能光热转换材料性能提供了新思路。该研究近期以题为“A bio-inspired nanocomposite membrane with improved light-trapping and salt-rejecting performance for solar-driven interfacial evaporation applications”的论文发表在Nano Energy上，文章通讯作者为重庆大学李猛副教授，第一作者为重庆大学硕士生应佩晋。

图2 黑蝴蝶翅膀表面结构陷光机理探讨与理论验证

作者对黑色蝴蝶翅膀表面结构形貌进行了观察，发现蝴蝶翅膀鳞片表面充满了周期性的脊阵列结构。除了色素色以外，预测这种微纳结构影响产生的结构色也可能是翅膀高效吸光的重要原因。作者通过FDTD方法分析了光在不同结构表面反射过程中的能量分布，结果证明这种周期性排列的脊阵列结构可通过光限域有效减弱表面光反射。随后，作者以还原后的氧化石墨烯膜作（rGO M.）为基底，以未经超声剥离的MXene在基底表面构建类似蝴蝶翅膀脊阵列的微纳结构得到双层复合膜（MXene@rGO M.），通过实验对比验证陷光微纳结构减弱膜表面太阳光反射的功能。为了排除材料自身吸光特性的干扰，作者还使用经超声剥离为单层的MXene制备了不具备陷光微纳结构的MXene@rGO M.作为对照组。通过实物照片及漫反射光谱可知，陷光微纳结构的存在有效减弱了膜表面的太阳光反射，进而提高了对太阳光的吸收。

图3 MXene@rGO M.复合膜光热蒸发性能测试

作者对复合膜的光热蒸发性能进行测试，测试结果表明此复合膜拥有良好的吸光能力（图3a）且可达到1.33 kg m^-2 h^-1的蒸发速率（图3b）和~85.2%的光热转换效率（图3d），在标准太阳光照下10分钟内升温至38℃（图3c），蒸发收集的水满足世界卫生组织饮用标准。此外，相比于其他光热膜，该复合膜在取得优秀的光热蒸发性能的同时拥有更薄的厚度（图f）。

此外，受植物根细胞物质选择性输运特点的启发，作者通过还原调节基底氧化石墨烯的层间距以阻隔盐的水合离子在内部的输运，在阻隔有机污染物和隔盐上有明显效果，且在海水中长期使用后，相比于未经还原、层间距更大的基底膜，还原后层间距更小的氧化石墨烯膜拥有更好的稳定性。

Peijin Ying, Bin Ai, Wei Hu, Yang Geng, Ling Li, Kuan Sun, Swee Ching Tan, Wei Zhang, Meng Li, A bio-inspired nanocomposite membrane with improved light-trapping and salt-rejecting performance for solar-driven interfacial evaporation applications, Nano Energy, 2021, DOI:10.1016/j.nanoen.2021.106443

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521006984

重庆大学李猛课题组在仿生光热转换课题系列工作：

1、仿生分形结构设计助力生物质源高效界面太阳能水蒸发(AFM_Cover Paper):

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007648

2、界面太阳能水蒸发系统中的多级碳网络的构建与系统水输运的定量分析(CARBON)：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.08.055

3、半导体光热转换材料与器件的带隙工程研究(ACS AMI)：

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c09965

更多信息请访问“重庆大学柔性可再生能源材料与器件课题组”网站：https://www.x-mol.com/groups/LaFREMD

第一作者：

应佩晋，重庆大学能源与动力工程学院硕士生。2018年6月获得重庆大学学士学位，随后进入重庆大学-新加坡国立大学新能源材料与器件联合实验室学习。主要从事界面型太阳能光热系统的开发与应用研究，以第一作者身份在ACS Applied Materials & Interfaces、Nano Energy等国际期刊发表SCI论文多篇。

通讯作者：

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李猛，副教授，博士生导师，重庆市高层次人才。2015年博士毕业于新加坡国立大学材料系，2016年加入重庆大学能源与动力工程学院，主要从事纳米仿生能源材料的能量存储与转换方面的研究与教学工作。目前，在Advanced Functional Materials, Nano Energy, ACS Applied Materials and Interfaces, Journal of Materials Chemistry A，Carbon等国际知名期刊上共发表SCI论文50余篇，论文被引2000余次，H-index为24（Google scholar），主持国家自然科学基金项目、重庆市自然科学基金项目、军队预研项目及重庆大学人才引进启动经费等科研项目。