用于太阳能水汽蒸发的银蝶翅光热转换效应研究

章潇慧 孙诚 顾佳俊

光热转换效应是指通过反射、吸收或其他方式把太阳辐射能集中起来，转换成足够高温度的过程，以有效地满足不同负载的要求。光热转换效应用于水汽蒸发，可应用于发电、灭菌，解决水污染、海水淡化等，为解决能源短缺提出了新思路。近年来，研究发现金属纳米材料具有优异的光热转换效应，主要是由于金属材料具有许多用于热转换的可移动电子，具有独特的局域等离子体共振效应（localized surface plasmon resonance，LSPR），是金属结构上发生的独特现象。当入射光的频率与金属中离域电子震荡频率相匹配时，电子会被集体激发产生共振，振动的电子由于阻尼作用将动能转变为热能，局部热量升高，通过热传导实现金属材料温度升高并向周围扩散。即在光场的作用下贵金属纳米颗粒可表现出独特的LSPR特性，并诱发局域电磁场的显著增强。该效应已被广泛应用于光电转换、表面增强拉曼散射、光电催化、光热传感以及信息存储等领域。最近，人们发现当金属材料经三维空间构型化后，材质的本征属性可进一步与材料结构的拓扑构型、尺度相耦合，表现出与传统宏观材料或纳米粉体完全不同的物理特性。通过精确调控三维构型的尺度、结构、组分等因素，可以实现针对材料功能特性的精准设计，大幅度提高光能转换功能材料的性能，并催生出全新的应用。

本文中以自然界中的蝴蝶翅膀（蝶翅）为模板，利用遗态的科学思想，通过化学的方法在保持了自然生物体分级亚微米精细结构的基础上，又将蝶翅原始组分改变成为金属材料，以此拥有了蝶翅构型的金属材料作为光热转换材料基板，其光热转化效率为55.7%。相较于工业、商业化的光热材料而言，在同等光照条件及受光面积下光热转换效率提高了近60%。这种方法在优化了光热转化效率的同时，也降低了材料制造成本，有望应用于海水淡化、或污水处理等领域，降低能源消耗，提高生产效率。

1 概述

能源的日益短缺已成为制约当今国际社会经济发展的瓶颈。相比于不可再生的化石能源，风能、潮汐能等大多数可再生能源均源于太阳能，因此太阳能为各种可再生能源的基础，为现今世界上最重要的清洁能源。为满足当前和长远社会发展的迫切需求，如何综合开发、利用太阳能已成为国际学术界所关注的重大研究课题。在诸多太阳能的利用方案中，如何将太阳能直接、高效地转换为热能为研究的前沿热点之一。通过太阳能的光子与材料晶格声子相互作用所产生的热效应，可有效应用于海水蒸馏/淡化等重要领域[1-6]。然而，由于通常情况下存在太阳光能量密度较低、光谱能量集中在长波范围、传统材料表面热耗散快等原因，导致目前光能转换效率较低，难以满足海水淡化等领域的实际需求。

近年来，研究表明金属、碳等纳米材料具有优异的光能转换效应。例如在光场的作用下贵金属纳米颗粒可表现出独特的表面等离子体共振特性并诱发局域电磁场的显著增强。该效应已被广泛应用于光电转换、表面增强拉曼散射、催化、传感以及信息存储等领域[7-14]。而当此类材料经三维空间构型化后，材质的本征属性可进一步与材料结构的拓扑构型、尺度相耦合，从而表现出与传统宏观材料或纳米粉体完全不同的物理特性。通过精确调控三维构型的尺度、结构、组分等因素，有望实现针对材料功能特性的精准设计，进而大幅度提高光能转换功能材料的性能，并催生出全新的应用。

然而，受制备原理、加工技术所限，现有的微纳制造方法在构筑三维、跨尺度、分级微纳结构方面尚存较大困难，阻碍了相关新现象的发现、新机理的揭示、及新型微纳器件的开发。另一方面，自然界生物体经长期进化和传承，在亚微米尺度上创造出了多种多样的精细功能结构，例如鳞翅目生物（蝴蝶和蛾類）的翅膀鳞片为典型的三维光子晶体结构，其精细复杂程度超过许多通过人工设计制得的材料，且由于来源于自然，其精确度受亿万年基因优化、自然选择的调控，具有重复性好和天然可宏量化获取的优点[15-19]。由于蝴蝶及蛾种类多达十七余万种，鳞片微观形貌具有多样性，充分利用这些自然结构作为模板进行诱导，创造出通过人工设计无法获得、可重复、宏量化制备的金属功能材料，可为解决上述关键技术难题提供重要的现实途径。

因此，本文中以蝶翅为模板，通过化学方法在保持自然生物体分级亚微米精细结构的基础上，变更其原始组分为金属材料作为光热材料基板，在数据重复性相当的情况下制备了直径30cm，直接受光面积为900cm2的光热转换模板，光热转化效率为55.7%，相较于工业商业光热材料，在同等光照条件及受光面积下效率提高60%，较好地优化了光热转化效率并降低了成本，可应用于海水淡化领域。

2 实验及性能表征

2.1 金属蝶翅的制备与微结构控制

通过化学方法，在保留原始蝶翅鳞片三维亚微米结构的基础上，将其成分转化为金（Au）、银（Ag）等具有表面等离子体共振（SPR）活性的过渡金属材料，获取既具有自然界原始生物分级亚微米精细构造，又拥有人为赋予新功能的新型结构功能一体化光热转换材料。

为完好复制蝶翅鳞片的三维亚微米结构，研究所采用的材料合成路线以常温化学镀方法为主。首先选取多种具有宏量化制备基础的蝴蝶、蛾类品种，在其翅膀表面引入纳米Au颗粒作为催化剂进行表面功能化处理，随后以Ag盐溶液为前驱体，在常温下通过化学方法在蝶翅表面还原Ag+为金属单质，制得具有不同微结构的金属蝶翅作为光热实验的基板。采用红外分析、X射线衍射（XRD）分析、电子显微分析等手段研究合成过程中金属组织形成、结构演变的规律及机理，通过优化前驱体种类、成分，调整化学镀反应时间、温度，控制金属镀层的厚度、晶粒度尺寸、及原始生物组织复制过程中的保形程度，最终有效调控金属蝶翅微结构。

本文中采用化学还原法，具体制备流程如下：①选取结构完整精细的蝶翅作为母板，用无水乙醇清洗并干燥后，在常温下浸入稀氢氧化钠溶液（质量分数为5%）进行脱矿处理2h；②然后用无水乙醇清洗，放置在空气中干燥。将碱洗后的蝶翅母板浸入乙二胺（EDA）溶液中，2h后取出清洗，干燥；③将氨基化的蝶翅母板浸入氯金酸（HAuCl4，）水溶液中（质量摩尔浓度为1g/100mL），浸泡4～6h后取出清洗；④将上文处理好的蝶翅母板浸入硼氢化钠（NaBH4）溶液中，还原吸附在蝶翅母板上的四氯金酸离子（AuCl4-），然后用去离子水清洗，干燥；⑤将已经进行活化处理的蝶翅母板置于干燥的表面皿中，分别滴加稀氨水、氯化银（AgCl）溶液（0.1mol/L）、酒石酸钾钠溶液（0.1mol/L），进行化学施镀；⑥然后用去离子水清洗，浸入无水乙醇中保存。

2.2 三维金属蝶翅结构的形貌表征

上述蝶翅完成化学施镀后，利用扫描电子显微镜（SEM）对其进行形貌表征，所得图像如图1所示。

从电镜拍摄的图像可以看出，镀银之后的蝶翅完整的保持了原有的蝶翅的特征结构，具有空间周期性结构，留下了蝶翅特殊的脊部分的结构，从这个三维金属结构可以发现效果较强的金属等离子共振现象，这一个镀金属的过程并没有出现破坏结构的现象，所以是一个十分优良的制备过程。

随后，对于银蝶翅的微结构，采用了透射电子显微镜（TEM）技术，观察其侧面结构，并表征其表面银层的形貌，如图2所示可以清晰看到其嵴状结构。

2.3 蒸发实例表征

对于本体系蒸发能力的表征，以一定时间内300W氙灯光照下的水损失量作为衡量标准，与空白对照样及目前研究水平对比，得到下图，所用光强为250mW/cm2，环境温度为20℃。

由水损失量随时间的变化曲线（图3）中可以看出，在同等光照条件下，附有银蝶翅的实验组水损失量显著高于无银蝶翅的对照组，并且实验组随着光照强度的增加，其蒸发作用越明显，蒸发效率越高。

3 液体蒸汽在金属蝶翅表面的蒸发及机理研究

在众多自然生物中，鳞翅目生物的翅膀鳞片为精细结构与功能一体化的典范。某些蝶翅鳞片具有亚微米级的三维周期性结构，并表现出天然的光子晶体特征，结合贵金属的局域表面等离子共振效应（Localized SPRs，LSPRs），由于在电磁波的作用下，金属微纳结构内部电子的协同振荡会在其表面激发产生表面等离激元共振效应，从而增强金属表面的局域电磁场，可在亚波长范围内形成光汇聚、光波导、光增强、光储存等光学效应，制备了具有蝶翅三维光子晶体结构的纳米银模板，并表现出良好的光响应性质。

在典型的蒸发系统中，蒸发表面通常是空气—液体界面的液体表面处。我们利用在水表面放置金属银蝶翅，在蒸发过程中通过毛细作用可以将液体运送至空气—水界面。光照后，通过金属银蝶翅表面产生的等离子加热效应控制界面处的局域温度。在特定的共振波长下，贵金属纳米银具有强烈吸收，通过蝶翅的三维结构得到进一步增强，产生的等离子光热效应能够产生瞬间、局域的高热量来驱动液体蒸发过程。产生的热能能够局域传导至蒸发作用发生的局域液体表面。这种局域的热传导将热能向非蒸发区域的损失降到最低，并且与液体整体蒸发相比大幅提高蒸发效率。

具有等离子共振效应的金属银蝶翅将入射的光能转化为热能，并且在空气—水界面处产生局部热区。由于持续光照产生的持续局域热能供应使得银蝶翅周围不断产生蒸汽泡并聚集。当这些蒸汽泡接触空气—水界面时破裂，并释放出内部热蒸汽。另一方面，由于银蝶翅处于界面处，因此产生的蒸汽能够立即被释放到空气中，避免了从低温未加热区到界面处的转移所产生的能量损耗，提高了转化效率。在本体系中，绝大部分的热能都用于加热蒸发表面的液体，这种局域的加热最大化减少了热损失，并且提升了热—蒸汽转化效率。

4 結语

面向能源/环境领域的迫切需求，新一代光热能转化功能材料的制备得到了广泛关注，其中如何高效利用太阳能并实现光能热转化为该领域的前沿和趋势。经亿万年进化，自然界的生物体提供了众多多层次、多维、多尺度的本征微纳功能结构，并展现出诸多超越人为的优异热性能功能特性。由此，本文通过物理和化学手段，在保留生物微纳分级结构的同时，置换生物模板的化学组分为所需的功能组分，创制既遗传自然生物精细形态，又有人为赋予特性的高效光热能转换遗态材料，得到具有优异光热能转化特性的先进功能材料。利用具有不同功能性的生物模板，构筑具有三维仿生微纳分级结构的光能热材料的仿生制备技术原型路线，并以此为指导，为通过生物特有的光结构启迪创制高效光能转换材料和器件提供理论依据和实用途径。

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