冰水直接变蒸汽利用太阳能有新方法
从冰水到蒸汽的飞跃是如何实现的？要具备什么样的“资质”才能成为这项技术的关键材料？“太阳能蒸汽”技术会被应用在生活中的哪些地方？
在寒冷的冬天，灶台边、汽车排气管中，热气腾腾的水蒸汽随处可见，自然而然地我们会将蒸汽与高温燃烧联系在一起。然而，近日美国莱斯大学的科学家们公布的一项直接从冰水中产生蒸汽的新技术却打破了这种惯性思维，令人感到惊讶。从冰水到蒸汽的飞跃是如何实现的？要具备什么样的“资质”才能成为这项技术的关键材料？“太阳能蒸汽”技术会被应用在生活中的哪些地方？
纳米材料上离子共振让水瞬间变成蒸汽
辽宁日报：1765年，英国发明家瓦特改进蒸汽机，大大提高了它的效率。从那时起，人类文明装上了强健有力的新引擎，世界在蒸汽的推动下进入高速发展的时代。时至今日，在历经电气时代、原子能时代等能源科技的诸多变迁后，蒸汽仍然是目前世界上最常用的工业流体之一。近日，美国莱斯大学的科学家们公布的一项新技术让蒸汽再一次与新能源“联姻”，引起公众的关注。科学家称可利用纳米粒子直接将水转换成蒸汽，甚至于在冰水中该方法同样有效。苗研究员，请您为我们介绍一下这种变化是如何实现的吗？
苗蕾：好的。这项“太阳能蒸汽”技术的关键，就在于研究人员发现了金属纳米粒子的表面等离子共振可以大幅增强吸收太阳光的能力，并将其利用到太阳能蒸汽领域，从而使传统的太阳能光热转换材料更具威力。当将这些纳米粒子材料浸没在水中并暴露在阳光下时，它们会急速升温，而且很快温度就能超过水的沸点。在它们的“带动”下，几乎瞬间容器内就能产生水蒸汽。
辽宁日报：为什么这种纳米粒子会在阳光下急速升温？
苗蕾：金属纳米粒子在小到一定尺寸的时候就会产生表面等离子共振（SPR）的物理现象，由于共振致使电子吸收了光能量，从而使反射光在一定角度内大大减弱。当光线照射到水上时，这些粒子迅速升温，超高的温度可以让其周围的水直接汽化。而包裹在纳米粒周围的水蒸汽又可以形成一层隔热层将其他较冷的液体隔开，使得纳米粒附近的水域温度越来越高。而当粒子周围的包裹气体越来越多后，产生的浮力将粒子浮到表面，大量水蒸汽爆开迅速释放到空气中，然后粒子再沉到水底继续吸热，产气，上升，释放，下沉如此循环往复。
辽宁日报：用这种方法制造出来的水蒸汽可以达到多高的温度？
苗蕾：莱斯大学的研究者们给出的结论是在1atm（标准大气压）下，蒸汽可以达到100℃左右。从太阳能光热转化的角度来讲，这是不可思议的。当然根据上面我讲过的原理，大家不难发现，随着实验条件不同，产生的水蒸汽温度也会有所差异。比如相同面积的纳米粒子被高度聚焦的太阳光照射所产生的热量，肯定会与相对分散的太阳光直接照射产生的热量不一样，自然水蒸汽的温度也就会不一样。从目前公布的资料来看，与温度相关的聚光比、受光面积等关键指标还没有明确的记载，所以我们无法精确地下结论。
辽宁日报：近年来太阳能利用技术层出不穷，而太阳能转换效率一直是这个领域关注的焦点。那么我们谈到的这项技术效率如何？
苗蕾：这个研究团队的科学家认为该技术能把约80%的太阳能转化成蒸汽能。如果通过当前的蒸汽涡轮机发电，那么其总体效率可达到24%。而我们比较熟悉的光伏太阳能电池板的综合能效通常在15%左右。研究人员认为，随着技术的进一步完善，效率仍有提升的空间。
其实，液体中的纳米颗粒吸收太阳能的效率达到90%左右都是可能的，但是问题是吸收热能以后的转换效率，这个部分我没有试验过，不能轻易评价。
与光电转化材料相比光热转化材料更便宜
辽宁日报：太阳能光热转化技术有很多种，我们的“太阳能蒸汽”技术属于其中的哪一种？
苗蕾：太阳能热利用按温度划分，目前可分为三领域。其中40℃至80℃为低温领域、80℃至250℃为中温领域、250℃至800℃为高温领域。
低温领域热利用技术目前国内外已经比较成熟，主要提供生活用热水，其产品为平板型或真空管型集热器。
中温领域热利用技术主要以提供工农业用热为主，目前较为先进的应用是空调制冷、区域建筑供暖及部分工业用热等等。国际上普遍采用平板集热器或玻璃-金属封接式集热管集热器。
高温领域热利用技术主要应用是太阳能热发电，集热管结构方式为高温真空太阳集热管。目前国际光热应用发展趋势正从传统的低温热水应用逐步向中高温工业应用和热发电应用转变。
这项太阳能转化蒸汽技术属于中高温领域。
辽宁日报：能够将水加热至中高温，进而制造蒸汽的纳米颗粒，需要有哪些特性？
苗蕾：太阳给地球带来光与热，主要靠电磁辐射的形式。太阳辐射波长主要分布在0.25至2.5微米范围内。从光热效应来讲，太阳光谱中的红外波段直接产生热效应，而绝大部分光不能直接产生热量。我们感觉在强烈的阳光下的温暖和炎热，主要是衣服和皮肤吸收太阳光线，从而产生光热转换的缘故。从物理角度来讲，黑色意味着光线几乎全部被吸收，吸收的光能即转化为热能。因此为了最大限度地实现太阳能的光热转换，似乎用黑色的涂层材料就行了，但实际情况并非如此。
这主要是材料本身还有一个热辐射问题。从量子物理的理论可知，黑体（一个理想化物体，能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射）辐射的波长范围在2至100微米之间，黑体辐射的强度分布只与温度和波长有关，辐射强度的峰值对应的波长在10微米附近。
由此可见，太阳光谱的波长分布范围基本上与热辐射不重叠，因此这种纳米材料要实现最佳的太阳能热转换，就需要在太阳光谱内吸收光线程度高，即有尽量高的吸收率，并且在热辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失，即有尽可能低的发射率。两个参数互相关联，我们在研发太阳能光热转换材料时，一般需要材料（常用的太阳能选择吸收涂层而非这种纳米颗粒）的吸收率大于0.95，发射率小于0.05。
辽宁日报：制备这种纳米材料是否需要昂贵的原料？
苗蕾：这些纳米颗粒的造价不算非常昂贵。目前太阳能应用主要集中在光热利用和光电利用两大领域。相对于太阳能光电技术来讲，太阳能光热的材料制备相当简单，廉价。但是因为需要添加一定的纳米金属粒子（金、银等贵金属），也需要一定的成本。当然，这里还有一个很通俗的道理，就是性能追求越高，成本也会越高。
医疗消毒、水质净化太阳能蒸汽初显身手
辽宁日报：您觉得“太阳能蒸汽”在未来发展的道路上会遇到哪些技术上的难点？
苗蕾：不少人都知道“我之所以站得高，是因为我站在巨人的肩上”这句出自世界著名科学家牛顿之口的名言。它告诉我们科技发明很难一蹴而就，也就是说技术的进步是一点点向前推进的。其实，仔细翻阅历史你会发现这项太阳能蒸汽技术中也有“前辈的身影”。多年前科学家也做过类似的研究，但是囿于当时科技的整体水平，研究暂时作罢。近30年来，由于纳米材料的分散和表面处理有了很大进步，这项技术才再次进入我们的视野。相较以前的研究，这种方法在效率上有了一定的提高和改善。
提到技术上的难点，我觉得首先制备这种光激纳米粒子条件相对比较苛刻，此外如何延长纳米粒子的寿命并降低成本，如何控制其在水中的分散程度、稳定性，如何将其分离、沉淀等很多问题都将是这项技术向前发展时遇到的挑战。
而且这种方法与多年前的研究面临着相同难题，那就是如何用它来规模化制造大量的蒸汽。或许正是因为如此，目前研究这项技术的科学家才并没有考虑如何用它来发电，而是把它首先定位在为边远地区的卫生设施消毒和净化水质。据说莱斯大学的研究人员已研制出了一个能在缺电地区为医疗器械消毒的“太阳能蒸汽”高压锅，他们还准备为没有下水道或照明的地区研制一个超小规模人体废物处理系统。
辽宁日报：这项技术还有哪些潜在的用途？
苗蕾：研究这项技术的人员曾经对这项技术进行了蒸馏实验，他们发现“太阳能蒸汽”效率要比现有蒸馏塔高出两倍半之多。高蒸馏效率，暗示这项技术可以应用在海水淡化、生物质制备醇类的提纯及其他多种液体的提纯和净化方面。
“太阳能蒸汽”的另一个潜在用途是为空调及供暖系统等混合动力家电供电，这些家电白天将由日光供电，晚上则利用电网电力工作。
专家档案
苗蕾博士、研究员、博士生导师，中科院广州能源研究所太阳能团队研究主任，中国科学院“百人计划”引进国外杰出人才，兼日本精细陶瓷研究中心材料技术研究所客座研究员。中国能源学会和广东省太阳能学会常务理事。现在主要从事太阳能热利用、热电转换材料和节能方面的研究与开发工作。在国内外学术刊物上发表论文110篇（SCI收录论文88篇，EI收录论文78）。
来源：中国太阳能网
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