北化开发出可用于太阳能水净化的高性能三维多孔等离子体纳米材料

近日，北京化工大学化学学院汪乐余教授研究团队在《 Advanced Functional Materials 》 发表题为 “Gas Foaming Guided Fabrication of 3D Porous Plasmonic Nanoplatform with Broadband Absorption, Tunable Shape, Excellent Stability, and High Photothermal Efficiency for Solar Water Purification ” (Adv. Funct. Mater.2020, 2003995)的研究论文。

该团队前期围绕新型等离子体共振纳米材料设计及应用开展了一系列的创新研究，通过制备自掺杂硫化亚铜长波等离子体共振纳米材料(Cu7S4)，使其具有1500 nm处近红外长波收，通过降低基底背景信号，开发了基于光热成像的新型隐形指纹成像技术(Anal. Chem.2015, 87, 11592−11598)；继而通过对表面等离子体共振纳米材料的结构设计与调控，制备Cu7S4-Au异质结，使其在近红外808 nm处有强吸收，有效避免生物组织的背景干扰，增强组织穿透深度，结合具有深组织穿透性的新型19F磁共振成像技术，从而构建集“成像+治疗”为一体的纳米诊疗体系，用于深层组织肿瘤的诊疗(J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 5890−5894)。

表面等离激元纳米材料不但在成像及治疗领域有广泛的应用，其在太阳光的转化利用方面也有巨大的潜力。该团队通过进一步的结构设计，制备系列Cu7S4基表面等离子体共振纳米材料，并将其应用光催化(Nano Lett.2015, 15, 6295−6301)及光电催化(Angew. Chem.-Int. Ed. 2016, 55 (22), 6502-6505;Small2017, 1602235)。在前期工作基础上，作者发挥Cu7S4-MoS2-Au (CMA NPs)等离子体共振纳米材料的宽光谱吸收及高光热转化效率的特点，将其作为光吸收体，应用于海水淡化系统。现有的光热水净化体系往往采用表面物理吸附方式将吸光体负载于水传输系统，或者采用具有光热性能的材料制备水凝胶作为水传输系统，因此，存在机械性能差及恶劣环境不耐受的问题，不适于规模化生产和实际应用。

本工作通过原位气体发泡策略，利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）一步封装具有良好光热性能的纳米颗粒CMA NPs，从而构建三维多孔光热纳米结构(CMA/PPN)，再经过原位聚合进行表面亲水修饰，实现水的高效传输。在1 KW/m2的光照强度下，所制备的CMA/PPN材料表现出了3.824 kg m-2 h-1的光热水蒸发速率和96.6%的能量效率。基于PDMS的化学惰性及柔性，我们设计的可折叠、自悬浮CMA/PPN材料可以在强酸、强碱、强氧化性和高浓度盐的条件下表现出高效且和稳定的光热水蒸发性能。该研究在海水淡化，污水处理等领域展现出良好的实际应用前景。

本文第一作者是博士生王辉，汪乐余教授、许苏英副教授为本文的通讯作者，北京化工大学为第一完成单位。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费的资助。