莱斯大学用阳光和纳米粒子净化盐水的太阳能方法甚至比它的创造者首先认为的更有效。
赖斯纳米光子学实验室（LANP）的研究人员本周表示，他们可以通过添加便宜的塑料镜片将太阳光聚集到“热点”，将太阳能海水淡化系统的效率提高50％以上。结果可在“美国国家科学院院刊”网站上获得。
“提高太阳能驱动系统性能的典型方法是增加太阳能聚光器并带来更多光线，”赖斯布朗工程学院应用物理专业研究生，该论文的共同主要作者Pratiksha Dongare说。 “这里的最大区别在于我们使用相同数量的光。我们已经证明，可以低成本地重新分配这种能量，并大大提高纯净水的生产率。”
在传统的膜蒸馏中，热的含盐水流过片状膜的一侧，而冷却的过滤水流过另一侧。温差产生蒸汽压差，其驱使水蒸气从加热侧通过膜朝向较冷的较低压侧。扩大技术是困难的，因为膜的温差 - 以及由此产生的清洁水的输出 - 随着膜的尺寸增加而减小。赖斯的“纳米光子学太阳能膜蒸馏”（NESMD）技术通过使用光吸收纳米粒子将膜本身转变为太阳能驱动的加热元件来解决这个问题。
Dongare及其同事，包括研究共同主要作者亚历山德罗·阿拉巴斯特里（Alessandro Alabastri），用低成本的市售纳米粒子涂覆其膜的顶层，这些纳米粒子旨在将80％以上的太阳能转化为热能。太阳能驱动的纳米颗粒加热降低了生产成本，赖斯工程师正在努力扩大该技术，以应用于无法获得电力的偏远地区。
NESMD中使用的概念和粒子首先在2012年由LANP主任Naomi Halas和研究科学家Oara Neumann展示，他们都是新研究的共同作者。在本周的研究中，Halas，Dongare，Alabastri，Neumann和LANP物理学家Peter Nordlander发现他们可以利用入射光强度和蒸气压之间固有的，以前未被认识到的非线性关系。
Alabastri是莱斯电气和计算机工程系的物理学家和德州仪器研究助理教授，他使用一个简单的数学例子来描述线性和非线性关系之间的差异。 “如果你取任何两个数字相等的10 - 7和3,5和5,6和4 - 如果你把它们加在一起你总会得到10。但如果这个过程是非线性的，你可能会将它们平方甚至立方体添加之前。所以如果我们有九个和一个，那就是九个平方，或者81个加一个平方，等于82.这远远好于10，这是你能用线性关系做的最好的。“
在NESMD的情况下，非线性改进来自于将太阳光聚集成微小的斑点，就像孩子可能在晴天用放大镜一样。将光线集中在膜上的微小点上会导致热量的线性增加，但加热反过来会产生蒸汽压的非线性增加。并且增加的压力迫使更多纯化的蒸汽在更短的时间内通过膜。
“我们发现，在更小的区域内拥有更多的光子总是比在整个膜上均匀分布光子更好，”Alabastri说。
Halas是一位化学家和工程师，他花了超过25年的时间开创了光活化纳米材料的使用，他说：“这种非线性光学过程提供的效率非常重要，因为缺水是世界上大约一半人的日常现实，有效的太阳能蒸馏可以改变这种
“除了水净化之外，这种非线性光学效应还可以改善利用太阳能加热来驱动光催化等化学过程的技术，”Halas说。
例如，LANP正在开发一种铜基纳米颗粒，用于在环境压力下将氨转化为氢燃料。
Halas是Stanley C. Moore电气和计算机工程教授，赖斯Smalley-Curl研究所所长，化学，生物工程，物理和天文学，材料科学和纳米工程教授。
NESMD正在位于赖斯的纳米技术水处理中心（NEWT）开发，并于2018年获得能源部太阳能海水淡化计划的研发资金。
——文章发布于2019年6月18日
