近年来，同济大学物理科学与工程学院纳米材料课题组对超黑材料的特性和应用做了一系列研究。例如：碳气凝胶对电磁波的强吸收机理（ACS Nano,2016,10,9123-9128）；碳气凝胶的双负特性（Carbon,2018,129,598-606）；碳气凝胶本征的负电阻温度系数和对电磁波（从紫外到微波）的灵敏响应（Carbon,2020,161,590-598）；碳气凝胶中的热电子耦合增强光催化效应(MRS.Comm.2018,8,521-526)和光热转换（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019,11,42057-42065）；碳气凝胶从介电到简并半导体状态的转变，并实现其介电常数从正到负大范围的连续调控（Adv. Electron. Mater. 2021,7(3),2000877）；碳气凝胶丰富的孔结构和优异的导电性用于电容去离子（Desalination,2019,458,45-53）等。
近年来，利用太阳能和具有高效光热转换的超黑材料来加热和蒸发水，从而获得饮用水和进行海水淡化成为了研究热点。该课题组将不同的超黑材料应用于太阳能驱动海水淡化领域，并做出了一系列成果：碳气凝胶中热电子耦合增强的光热转化用于水蒸发（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019,11,42057-42065）；在弱光环境下具有高效水蒸发性能的仿龟背竹蒸发器（Adv.Funct.Mater.2020,30,2005513）；生物基全向蒸发器（Adv.Sustainable syst. 2020,5,2000244）；基于溶胶-凝胶墨水的3D打印蒸发器（Langmuir 2021,37,2129-2139）;西非加蓬蝰蛇背部黑色鳞片中的crest-ridge微结构启发的超黑泡沫蒸发器（Solar RRL 2021,5,2000817）；类散热器结构的亚环境温度水蒸发器（Adv. Energy Sustainability Res. 2022,2100188。DOI: 10.1002/aesr.202100188）。
近日，该课题组通过在铜泡沫上生长Cu(OH)2纳米线和Cu-MOF纳米晶须的方法，制备了一种类松针纳米结构的铜基超黑材料。该材料在太阳光波段的吸收率高达99%，并且在1sun光照强度下实现了3.27 kg m-2 h-1 的水蒸发速率。此外，受到在室外具有阳光和风能的环境中晾晒衣物可以提高衣物的干燥速率这一生活现象的启发，在耦合了风能后，该材料在1sun光照强度下实现了亚环境的表面温度和高达11.58 kg m-2 h-1 的水蒸发速率。近日，该工作发表到了ACS Applied Materials & Interfaces（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022,14(8),10257-10266）上。
图1. 太阳能驱动水蒸发器件示意图和铜基超黑材料的微结构示意图。
图2. 铜基超黑材料的宏观图和微结构图。
图3. 铜基超黑材料的光吸收、光热转化、浸润性和在不同倾斜角度下的水蒸发性能。
图4. 耦合风能后该铜基超黑材料的水蒸发性能和表面温度。
该论文的第一作者是博士生汪宏强，通讯作者为杜艾副教授，课题组张志华副教授、周斌教授、沈军教授等作者也做出了突出贡献。该工作受到了国家自然科学基金，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项和上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室开放课题的支持。
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