能源与水资源短缺问题一直是高度相关的两大全球性的问题。随着对金属微结构界面调控研究的不断深入，利用等离激元增强太阳能蒸水成为近年来光热领域的研究热点。基于等离激元微结构增强的光-声转换为高效利用太阳能进行水纯化提供了可行的解决方案，引起了研究人员极大的兴趣，也促进了近年来等离激元材料创制、光热转换机理、调控与应用的发展。
近日，西安交通大学赵宇鑫课题组利用聚吡咯弹性体固化交联与定向冷冻干燥成型技术，成功制备了大块仿生结构的高弹性耐疲劳五孪晶铜@聚吡咯核壳纳米线（Cu@PPy NW）气凝胶组装体材料。该材料在4000W/m2光强辐照下可于1分钟内快速升温至220℃以上的高温，并在1个太阳的光照强度下轻松实现97.6%的光热转换效率和2.09 kg/m2h的蒸水速率。其设计理念主要基于：五孪晶铜纳米线具有很强的表面等离激元效应（SPPs），其独特的法布里-珀罗共振失稳导致的朗道阻尼效应可使热电子更多转换为声子；聚吡咯外壳可以显著拓宽光谱吸收范围，同时兼具低导热特性以减小光热能量的传导损耗；气凝胶三维结构中广泛分布的介孔结构，其尺寸普遍小于空气分子的自由程，从而有效地抑制层间的热对流传热；同时，气凝胶材料中定向贯通的大孔结构对水蒸气的传质运输增益，也对光热蒸水效率的提升也起到了关键作用。
图1 高弹性耐疲劳五孪晶铜@聚吡咯核壳纳米线气凝胶组装体材料示意图
此外，为了阐明材料表面近场光热转换的物理原理，研究团队分别采用了定制化的导电原子力探针（CAFM）、开尔文探针（KPFM）、量热扫描探针（SThM）和扫描近场光学显微联用系统（SNOM）原位测量获取了单根基元材料上激发态热电子、肖特基势垒、微小热流等特征参数，并直观证实了光子在共格孪晶铜表面沿纳米线轴向波导传递以及热电子弛豫过程。该研究系统定量分析了Cu@PPy纳米线材料的结构-功能相关性，证实了表面等离子体介导的光子-声子能量转移模型中波动电动力学模型的基本正确性。这些结果为近场光-物质交互作用中的内在耦合关联提供了明确证据，初步解释了显著增强的跨尺度、跨介质光热转换机制。等离激元纳米材料提供了一种独特的能量转化与分配平台，研究这种特殊微区环境下的理化过程不仅具有重要的基础研究意义，而且为促进光驱动能量转化提供了一条新的途径。
图2 单根纳米材料表面等离子体介导的光子-声子转换近场研究图摘
相关成果以“基于等离激元近场强化工程的铜@聚吡咯核壳纳米线光蒸水组装体材料”（Engineering a Copper@Polypyrrole Nanowire Network in the Near Field for Plasmon Enhanced Solar Evaporation）为题发表在国际权威期刊《美国化学会-纳米》（ACS Nano）上。该研究工作由西安交通大学化工学院赵宇鑫研究员团队完成，化工学院博士研究生王维、助理教授严孝清，能动学院博士研究生耿嘉峰为该文章共同第一作者，赵宇鑫研究员为通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金、中石油创新基金、西安交通大学青年拔尖人才支持计划等项目的大力支持。
赵宇鑫，西安交通大学研究员，博士生导师，西安交通大学青年拔尖人才。2015-2019年任中国石化安全工程研究院高级工程师，围绕“工业安全监测与应急处置材料器件”开展从基础研究、关键技术开发到工程示范的全链条研发工作。近年来研究兴趣聚焦在危险介质的智能感知与纳米原位测量相关领域。迄今所研发核心技术获得中国石化前瞻性基础性研究科学奖一等奖，授权发明专利11项，美日欧多国专利2项，发表SCI论文40余篇。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05789