等离激元微结构界面光热蒸汽转换机理及调控

Solar thermal conversion is one of the most important versions of thermal utilizations of solar energy. Interfacial solar steam generation is the science frontier of the field of highly-efficient solar-thermal conversion. Due to the unique electromagnetically local heating effect and flexibly spectral manipulation capability, plasmonic interfacial solar-thermal materials have been the crucial application branch of plasmonics in the past few years. Based on the three-dimensional metallic nanoparticles proposed by the applicant, the proposal aims to systematically investigate the plasmonic induced steam generation mechanisms and the manipulation methods, which include: 1) Exploring the energy transfer mechanisms on metal-based interfacial solar steam generation, as well as revealing roles of the plasmonic absorption and localized heating effect on the solar driven phase-change process; 2) exploring the relationship between the microstructures and macroscopic photothermal properties, as well as investigating the microstructure design and experimental achievement with simultaneous manipulation of solar absorption and thermal dissipation; 3) exploring the laws of temperature and production rate of interfacial solar steam, based on which to investigate the novel applications of plasmon enhanced interfacial solar thermal conversion. Based on the results of the proposal, we can enable new insight in the interfacial solar thermal conversion process, which is crucial for advanced solar thermal devices and favorable for the intersection of nanophotonics and renewable energy science.

光热转换是太阳能热利用的重要形式之一，界面光热蒸汽产生是高效光热转换领域的重要科学前沿。等离激元界面光热转换材料因其独特的局域电磁-热聚焦效应和灵活的光谱调控特性，成为近年来等离激元光子学领域重要的应用研究分支。本项目以申请人提出的三维金属纳米颗粒微结构为研究对象，拟系统性研究等离激元光蒸汽转换机理及调控机制：1）深入研究金属微结构界面光蒸汽转换过程中的能量传递机理，揭示等离激元光吸收、局域热聚焦效应对光致汽化相变的调控机制；2）揭示微观结构与宏观光热性能的关联性，探索光吸收和热损耗协同调控的微结构设计与技术实现；3）揭示界面光蒸汽产生的温度和速率运移规律，并在此基础上发展等离激元界面光热转换新应用。本项目的研究成果对于理解界面光热转换物理过程、发展新型光热利用器件，促进微纳光子学与新能源科学深度交叉具有重要的意义。

等离激元光蒸汽转化是表面等离激元光子学领域的新热点，也是太阳能转换领域的重要科学前沿。理解金属等离激元宽谱光吸收、热调控和能质输运的关联规律是利用等离激元光热材料实现高效光热蒸汽转换新应用的物理基础。本项目以金属等离激元的光频损耗机理和调控为起点，基于宽谱高效光吸收以及光谱选择性光热材料的纳米光子学设计，结合自组装纳米结构的制备方法学创新，在等离激元光热吸收机制、光-热协同调控策略、能质输运规律、界面光热新应用等方面取得如下研究成果：1）建立了铝、镍、钠等非贵金属等离激元材料光频损耗和光吸收的理论模型，实验实现了宽带高效的三维镍基等离激元吸收体，全太阳光谱光吸收效率达97%以上；首次实验证实金属钠的本征损耗只有单晶银的一半，具有优异的亚波长光子器件性能。2）提出并构筑了多孔光学衬底内嵌式三维金纳米颗粒吸收体结构，通过调节孔隙率和沉积条件以及后处理工艺，首次实现0.2-2.5 um波段96%的平均吸收效率，2.5-18 um波段红外辐射率6%的等离激元光热转换材料，最终实现一个太阳下80%以上的太阳能光蒸汽转换效率，为自漂浮光热蒸发体的实用化奠定了基础；3）研究了光蒸汽体系能量传递、质量输运耦合物理机制，提出引入环境能量的多能互补策略、蒸发面和供水通道解耦合等多种方案，基于高孔隙率高维光热吸收体结构设计，在风场辅助和环境能量优化设计下，充分对流扩散蒸汽，在实验上率先实现了蒸发速率和蒸发通量接近1个数量级的提升；4）系统发展了基于等离激元微纳结构界面光热效应的光热能量应用，包括水纯化、高温蒸汽灭菌和溶质资源回收等。项目所发展的金属等离激元光蒸汽转化对于理解光频损耗机理、发展高效等离激元光热能量利用技术等方面具有重要的科学意义和应用价值。