全世界有超過十億人缺乏淡水，而且問題會越來越嚴重——據估計，到2025年世界人口高達三分之二可能面臨缺水問題。與之相對，海水資源相當豐富，將海水淡化為飲用水是個很好的選擇。但目前主流的膜過濾技術，耗能大成本高，對于淡水資源更缺乏的發展中國家來說是很大的負擔。不算是新技術的太陽能蒸餾海水淡化沒有耗能問題，但光熱轉換效率效率太低，淡水產量難以符合大規模使用的需求。科學家們曾試圖使用金屬納米顆粒來提高太陽能蒸餾的效率，效果較好的是金（gold）或者其他貴金屬納米顆粒，但價格昂貴又成了新的問題。

    最近，南京大學朱嘉（Jia Zhu）教授課題組在太陽能海水淡化方面取得了重要進展，他們發明了等離激元增強的太陽能海水淡化（plasmon-enhanced solar desalination）裝置，核心部件是鋁納米粒子自組裝而成的三維多孔膜，能量傳遞效率高達90%左右，淡化前后水的鹽度可降低4個數量級。該工作發表在《Nature Photonics》上，副研究員周林（Lin Zhou）和碩士生譚穎玲（Yingling Tan）為論文的共同第一作者。（3D self-assembly of aluminium nanoparticles for plasmon-enhanced solar desalination. Nature Photonics, DOI: 10.1038/nphoton.2016.75）

    朱嘉教授介紹說，“海水淡化通常是對海水加溫，取得蒸餾水。這個過程中，能量消耗非常多。如果只加熱水表面的一層分子，水在變成蒸汽的過程中，整體水溫就可以維持不變。”針對這一目標，研究人員們發明了等離激元鋁黑體材料，該材料包括三個部分，近乎透明的含納米孔陣列的陽極氧化鋁膜（AAM），納米孔側壁上密集堆積的鋁納米顆粒，以及在陽極氧化鋁膜上面的鋁薄層（如下圖）。

等離激元鋁黑體材料自組裝工藝及光學照片對比圖

    納米孔直徑大約300納米，形成的納米孔陣列可以阻止光反射離開并使其在膜內散射，增加光被吸收的幾率。鋁納米顆粒的局域等離激元光學共振效應，使得與水接觸的鋁納米顆粒附近區域產生極高的局部溫度和電磁場增強效應，水蒸汽可快速有效地產生，并可借助多孔結構快速逃離。一般來說，普通的鋁只在紫外光波段有很好的光吸收效率，但這種以鋁為唯一原材料的新材料則在超寬太陽光譜（400-2500 nm）范圍內具有超高光吸收效率（平均>96%），這保證了高達90%的能量傳遞效率。

掃描電子顯微鏡圖片

    另外，研究人員們所使用的自組裝制備方法，簡單且可規模化。實驗證明，這種新材料的海水淡化性能優異、穩定，耐用性好，很有希望用于高效太陽能海水淡化的實際應 用。使用這種材料，“死海、波羅的海、渤海等各種鹽度的海水，經過淡化后都可以達到國際飲用水標準。”朱嘉教授說。

    Science網站也對這一成果以新聞的形式進行了高度評價，標題為：New water purification system could help slake the world's thirst（DOI: 10.1126/science.aaf5666）。

    參考文獻：

    1. http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2016.75.html

    2. http://www.sciencemag.org/news/2016/04/new-water-purification-system-could-help-slake-world-s-thirst

    3. http://news.nju.edu.cn/show_article_1_41890

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責任編輯：王元

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