重庆大学能源与动力工程学院仿生能源课题组在仿生能源材料及能质传递与转换交叉领域取得系列进展

近日，Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Carbon等能源、材料、工程热物理领域顶尖期刊连续报道我校能源与动力工程学院副教授李猛课题组在仿生能源材料及能质传递与转换交叉领域取得的研究进展。

《Science》杂志在创刊125周年之际公布了未来1/4个世纪内人类亟需解决的125个科学问题，其中“新能源利用”及“温室效应”是最为突出的能源及环境问题。同时，面对日益严峻的淡水资源匮乏与水污染问题，实现超低能耗获取淡水是一个关乎我国水资源与能源安全的重要研究课题。借助绿色太阳能的光热转换材料实现高效海水界面蒸发是此方向的研究重点。大自然是一位充满智慧的设计师，各类生态单体及系统长期进化形成的材料、组装、界面及演变等诸多方面都为人类的研究提供了借鉴意义，基于仿生的研究成果的优异性也表明了向大自然学习是解决诸多问题的可行路径。

有鉴于此，重庆大学能源与动力工程学院“重庆大学-新加坡国立大学新能源材料与器件联合实验室”（柔性可再生能源材料与器件研究团队）李猛课题组在仿生能源材料及能质传递与转换交叉领域开展了一系列研究工作。例如：黑色蝴蝶翅膀表面的微纳脊阵列结构与其高效的太阳光吸收是密不可分的，课题组运用仿生策略制备了一种具有陷光微纳结构的太阳能光热转换膜，将其应用于环境友好、低成本的界面太阳能水蒸发系统；同时受植物根细胞选择性离子通道的启发，借助离子通道设计对提高膜隔盐性能也进行了研究。该膜材料具有优异的蒸发率（1.33 kg m-2 h-1）和光热转换效率（~85.2%），并且在海水中重复使用40次后仍能维持81.4%的效率。该研究近期以题为“A bio-inspired nanocomposite membrane with improved light-trapping and salt-rejecting performance for solar-driven interfacial evaporation applications”的论文发表在国际知名期刊《Nano Energy》，第一作者为我校硕士研究生应佩晋。

此外在植物仿生方面，一些弱光环境下的植物进化出自相似的分形结构以此进行高效的太阳能光合作用。西南地区多有的废弃生物质柚子皮中固有的微观多孔结构引起了团队研究人员的注意，该多孔结构非常适合作为基底制备分形结构材料。于是课题组制备了一种基于仿生分形结构设计的新型生物质衍生太阳能光热转换材料，并将其应用于环境友好、低成本的界面太阳能水蒸发系统。该成果以题为“Bioinspired Fractal Design of Waste Biomass Derived Solar-thermal Materials for Highly Efficient Solar Evaporation”的论文发表在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》，并被选为封面论文，第一作者为我校硕士研究生耿阳。

课题组还研究了半导体光热转换材料带隙与光热性能之间的内在联系和规律，探究了界面光热蒸汽发生系统中一维水通道的水输运与蒸发速率之间的定量关系，为后续工作中精确控制水输运提高蒸发速率提供理论依据。相关成果发表在《Carbon》及《ACS applied materials & interfaces》。基于以上系列工作，课题组在国产领军期刊 Nano Research 上撰写仿生能源材料在光热海水淡化领域的应用邀请综述，近期将在线发表；同时该研究方向获批2021年国家自然基金面上项目“光热蒸发仿生结构材料能质传递与转换协同原理及耦合装置构建方法”支持，申请相关专利2件。

原文及相关工作链接

仿生黑色蝴蝶翅膀微纳结构增强光热海水淡化：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521006984（原文链接）

https://nyxr-home.com/56980.html（新闻链接）

仿生分形结构设计助力生物质源高效界面太阳能水蒸发:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007648（原文链接）

https://nyxr-home.com/39094.html（新闻链接）

界面太阳能水蒸发系统中的多级碳网络构建及系统水输运的定量分析：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.08.055（原文链接）

https://nyxr-home.com/26588.html（新闻链接）

半导体光热转换材料与器件的带隙工程研究：

https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c09965（原文链接）