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作為最.有.效的水凈化方法之一,，太陽(yáng)能凈化水已獲眾多研究學(xué)者的關(guān)注。一方面,，利用太陽(yáng)能凈化水非常環(huán)保,，另一方面，該工藝所需的設(shè)備安裝和操作要求相對(duì)較低,。為了提高太陽(yáng)能凈化水的效率,，已有學(xué)者提出了幾種凈化方法，如預(yù)熱法,、夜間加熱法和附加熱源法,帶有黑色吸收片（BAS）的增強(qiáng)型太陽(yáng)能蒸餾法（SSG）就是其中的一種方法,。但SSG蒸發(fā)只發(fā)生在水-氣界面，如何增加加熱過(guò)程中界面面積成了提高SSG效率的關(guān)鍵,。此外,，BAS材料本身的性能也是SSG的速率的重要影響因素。

大量研究發(fā)現(xiàn),，微尺寸多孔結(jié)構(gòu)BAS可以提高SSG的蒸發(fā)速率：一方面,，這種結(jié)構(gòu)大大增加了水-氣界面；另一方面,，BAS自身具有高吸收率和良好的隔熱性能,，這既能夠減少熱量損失，又能夠提高吸熱效率,。此外,，雙層BAS能夠進(jìn)一步提高SSG的速率。通常,，BAS可以由化學(xué)方法或者碳化方法制得,，然而這樣制得的BAS的孔徑的大小和孔的分布都是隨機(jī)的，無(wú)法可控地得到*佳的蒸發(fā)速率,。為了進(jìn)一步優(yōu)化SSG,，古斯塔夫•埃菲爾大學(xué)的Elyes Nefzaoui團(tuán)隊(duì)與巴黎東大Tarik Bourouina以及西安交通大學(xué)的韋學(xué)勇教授聯(lián)合提出了一種二維超材料泡沫（meta-foams），這種超泡沫具有確定的孔徑和規(guī)則的孔分布，在優(yōu)化研究中可作為有效可控的模型,，該團(tuán)隊(duì)也將這種超泡沫作為表面增強(qiáng)型太陽(yáng)能水蒸發(fā)器的研究工作中。

在該研究工作中,，納米黑硅（B-Si）因其在可見(jiàn)光到近紅外波段具有優(yōu)異的吸收率和光熱性能被用作超泡沫材料,。采用等離子刻蝕制備了具有分層納米結(jié)構(gòu)和周期性二維多孔超泡沫，并就孔徑大小,、孔的數(shù)量對(duì)蒸發(fā)速率的影響進(jìn)行了探索,。研究發(fā)現(xiàn)：孔徑和孔的數(shù)量是一把雙.刃劍，一方面,，孔徑和數(shù)量要盡可能的多,，以保證系統(tǒng)能提供充足的水量；另一方面,，孔徑過(guò)大和數(shù)量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致吸收的熱量減少,。此外，研究團(tuán)隊(duì)也設(shè)計(jì)了雙層系統(tǒng),，以保證可靠的吸水性,、穩(wěn)定的吸熱和隔熱性能。

實(shí)驗(yàn)表明,，在一次太陽(yáng)光輻射,、常溫、相對(duì)濕度為58%時(shí),，直徑20μm的B-Si超泡沫樣品*佳蒸發(fā)速率可達(dá)到1.34 kg/(h⋅m2),，轉(zhuǎn)換率可以達(dá)到可觀的89%（實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，理論蒸發(fā)速率可達(dá) 1.5 kg/(h⋅m2））,，蒸發(fā)速率是普通蒸餾法的3.96倍,。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了另外一種低成本制造超泡沫的方法：借助摩方高精度3D打印設(shè)備(nanoArch S130,摩方精密)制作超泡沫樣品,。實(shí)驗(yàn)證實(shí),，在同一實(shí)驗(yàn)條件下，孔徑為275μm的3D打印的超泡沫的蒸發(fā)速率為1.32 kg/（h⋅m2）,。這個(gè)結(jié)果與B-Si超泡沫的*佳值相當(dāng),，在SSG中顯示出非常*的性能。3D打印的超泡沫可以作為B-Si超泡沫的低成本代替品,，具有很好的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景,。

圖1.超泡沫的概念示意圖:(a)由二維周期結(jié)構(gòu)制成的優(yōu)化超材料，(b)應(yīng)用于優(yōu)化太陽(yáng)能水凈化,，(c)B-Si周期性微孔超泡沫的SEM圖像,。測(cè)量的吸收光譜:(d)不同多孔表面的原始測(cè)量數(shù)據(jù)，(e)暴露在太陽(yáng)輻射下的結(jié)構(gòu)表面有效吸收率。

圖2.二維B-Si超泡沫：(a)斷面示意圖,，(b)用于實(shí)驗(yàn)樣品照片,，(c)三種不同超泡沫材料的蒸發(fā)速率，與常規(guī)泡沫蒸發(fā)速率和自然水蒸發(fā)速率進(jìn)行了比較,。

圖3.3D打印的超泡沫：(a)圓柱微孔的截面SEM視圖,，(b)三種不同的超泡沫的蒸發(fā)速率，并與自然水蒸發(fā)速率進(jìn)行了比較,。

圖4.吸收率和蒸發(fā)速率,、表面平衡溫度的函數(shù)關(guān)系

圖5.孔隙率和蒸發(fā)速率的函數(shù)關(guān)系

圖6.硅基二維超泡沫的制作過(guò)程

此外，該團(tuán)隊(duì)還用海水對(duì)二維超材料超泡沫的表面強(qiáng)化型太陽(yáng)能蒸餾進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估：將超泡沫在海水中浸泡了14天,，并與同等實(shí)驗(yàn)條件下用去離子水浸泡的超泡沫進(jìn)行對(duì)比,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在海水中浸泡14天后,，超泡沫在SSG的蒸發(fā)性能降低約7%-9%,。從圖7可推測(cè)，蒸發(fā)性能降低很可能是由于結(jié)晶鹽堵塞了超泡沫的孔隙,，導(dǎo)致吸收率的降低,。如果能夠解決孔隙堵塞的問(wèn)題，那么具有BAS超泡沫結(jié)構(gòu)的SSG在海水凈化方面將發(fā)揮巨大的應(yīng)用潛力,。

圖7.（a）海水蒸發(fā)速率和去離子水蒸發(fā)速率的對(duì)比（b）海水中浸泡之前超泡沫表面的顯微鏡圖像（c）海水中浸泡之后超泡沫表面的顯微鏡圖像

該研究成果以題為：Two-dimensional metamaterials as meta-foams for optimized surface-enhanced solar steam generation發(fā)表在《Solar Energy Materials & Solar Cells》期刊上,。