特別說明：本文由學研匯技術(shù) 中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創(chuàng)丨彤心未泯（學研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風云
研究背景
隨著世界人口增長、環(huán)境污染和氣候變化，海水淡化顯然是解決淡水資源嚴重短缺的理想解決方案。太陽能驅(qū)動的界面水蒸發(fā)，能夠?qū)⑻柲墚a(chǎn)生的熱量局域化，從而實現(xiàn)高效的水蒸餾，已成為從海水或廢水中獲取淡水的有前途和可持續(xù)的過程，這一工藝還被拓展到發(fā)電、蒸汽滅菌、燃料生產(chǎn)等領域。為了提高太陽能蒸汽轉(zhuǎn)換（SSG）性能，探索高效、低成本的光熱材料是首要關(guān)注的問題。
然而，高效光熱材料的開發(fā)仍存在以下問題：
1、前期的工作忽略了通過調(diào)整聯(lián)合態(tài)密度增強太陽光吸收的研究
為了獲得高的太陽吸收率，不僅需要寬帶的太陽吸收，而且還需要足夠高的聯(lián)合態(tài)密度( JDOSs )。但前期工作都集中在盡可能廣泛地利用太陽光譜，而通過調(diào)整JDOS以增強太陽吸收尚未被深入研究。
2、費米能級周圍存在多個平帶是高JDOSs材料設計的關(guān)鍵因素
利用一種具有高JDOS的光熱材料來鞏固超寬帶光學躍遷以獲得高的太陽吸收是提高光熱效率的有效途徑，為了達到這個目的，在費米能級附近存在多個平帶將是材料設計的一個關(guān)鍵因素。
有鑒于此，東北大學副校長左良教授等人提出了一種通過引入平帶電子結(jié)構(gòu)來大大提高聯(lián)合態(tài)密度的方法。研究表明，由于Ti-Ti二聚體在費米能級周圍誘導的平帶，金屬λ-Ti3O5 粉末表現(xiàn)出高達96.4%的太陽能吸收率。通過將它們整合到具有錐形腔的三維多孔水凝膠蒸發(fā)器中，在1-sun照射下，3.5 wt％的鹽水可以達到前所未有的高蒸發(fā)速率，約為6.09 kg/(m2h)，且沒有鹽沉淀。本質(zhì)上，暴露在λ-Ti3O5表面的Ti-Ti二聚體和U形凹槽結(jié)構(gòu)促進了吸附水分子的解離，且有利于界面水以小團簇的形式蒸發(fā)。該工作強調(diào)了Ti-Ti二聚體誘導的平帶在束縛太陽能吸收方面的關(guān)鍵作用以及獨特的U形凹槽在促進水解離方面的關(guān)鍵作用，為獲得具有成本效益的太陽能發(fā)電提供了重要見解。
技術(shù)方案：
1、解析了TSO的太陽能吸收率和光熱轉(zhuǎn)化
作者揭示了λ-Ti3O5的形態(tài)特征和親水特性，表明了λ-Ti3O5的高太陽吸收率和高光熱轉(zhuǎn)化率，通過理論計算表明高太陽能吸收率源自樣品Ti-Ti二聚體的Ti 3d態(tài)具有EF周圍多個平坦能帶，為有效光學躍遷創(chuàng)造了高JDOS。
2、探究了2D-SSE的SSG性能和機制
作者通過將λ-Ti3O5粉末分散到纖維素膜上制備了2D 太陽能蒸汽蒸發(fā)器，探究了2D-SSE的蒸發(fā)率，表明暴露在 λ-Ti3O5表面的Ti-Ti二聚體和U形凹槽對水的吸附和解離有顯著貢獻。
3、設計了3D SSG并獲得了創(chuàng)紀錄的水蒸發(fā)率
作者設計開發(fā)了帶有錐形腔的3D圓柱形蒸發(fā)器，最大限度地減少了與熱局部化效應相關(guān)的熱損失并獲得了創(chuàng)紀錄的水蒸發(fā)率。
技術(shù)優(yōu)勢：
1、通過平帶電子結(jié)構(gòu)引入，獲得了高達96.4%的太陽能吸收率
作者認為TSO 中存在的內(nèi)在氧缺陷為形成具有不同電子能帶結(jié)構(gòu)的獨特 Ti-Ti二聚體提供了獨特的機會，通過對n≤4的TinO2n?1進行綜合理論和實驗研究，發(fā)現(xiàn)金屬 λ-Ti3O5 粉末表現(xiàn)出最高的平均太陽能吸收率，達到96.4%。
2、通過材料與器件的耦合，實現(xiàn)了極高的水蒸發(fā)速率
作者將金屬 λ-Ti3O5結(jié)合到具有錐形腔的3D多孔PVA水凝膠蒸發(fā)器中，實現(xiàn)了極高水蒸發(fā)速率，且沒有鹽沉淀，這歸功于λ-Ti3O5的獨特結(jié)構(gòu)、多孔水凝膠的分層結(jié)構(gòu)和圓錐幾何形狀的特殊設計的協(xié)同效應。
技術(shù)細節(jié)
TSO的太陽能吸收率和光熱轉(zhuǎn)化
作者通過 Rietveld精修法鑒定了所制備的λ-Ti3O5、β-Ti3O5和Ti4O7粉末的晶體結(jié)構(gòu)，揭示了λ-Ti3O5的形態(tài)特征和親水特性。在整個太陽光譜范圍內(nèi)，λ-Ti3O5的平均吸收率為96.4%，β-Ti3O5的平均吸收率為95.7%，是所考查的TSO中最好的太陽吸收率。計算結(jié)果表明TSO的EF周圍具有相對平坦能帶的共同特征，這種平帶的存在不僅拓寬了太陽光吸收的波長范圍，而且還為有效光學躍遷創(chuàng)造了高JDOS，從而產(chǎn)生了整體高太陽光吸收率。使用測溫方法評估樣品的光熱轉(zhuǎn)換能力，結(jié)果表明λ-Ti3O5在最短的時間內(nèi)達到最高表面溫度。金屬λ-Ti3O5不僅提供了最高的整體太陽能吸收率，而且在這些TSO中提供了最有效的光熱轉(zhuǎn)換。
圖 反射光譜和電子結(jié)構(gòu)
2D SSG
作者通過將λ-Ti3O5粉末分散到纖維素膜上制備了2D 太陽能蒸汽蒸發(fā)器（2D-SSE），分別探究了有無光照條件下的2D-SSE的水蒸發(fā)率。2D-SSE的蒸發(fā)率為1.42?kg?m?2?h?1，是散裝水蒸發(fā)的四倍多。在實驗數(shù)據(jù)的基礎上，進一步利用測溫方法估算了界面水的汽化焓和SSG的效率。在1?sun的輻照下，39.6°C時，λ-Ti3O5粉末表面水的汽化焓計算為1696?kJ?kg?1。然而，由于2D-SSE的表面溫度相對較高，計算出的SSG效率僅為68.30%左右。進一步地，作者通過理論計算揭示了界面水和λ-Ti3O5表面之間的相互作用，結(jié)果表明暴露在 λ-Ti3O5表面的 Ti-Ti 二聚體和 U 形凹槽對水的吸附和解離有顯著貢獻。特別是亞穩(wěn)態(tài)H3O*單元的頻繁出現(xiàn)，伴隨著質(zhì)子的快速轉(zhuǎn)移，有利于界面水以小團簇的形式蒸發(fā)。
圖 2D-SSE系統(tǒng)及實驗結(jié)果
圖 λ-Ti3O5(110)表面輔助水的吸附和解離
3D SSG
作者設計開發(fā)了帶有錐形腔的3D圓柱形蒸發(fā)器以避免能量損失。多孔PVA水凝膠的分層結(jié)構(gòu)和λ-Ti3O5粉末的均勻分散極大地擴大了太陽能吸收和水蒸發(fā)的有效表面積，錐形腔減少了反射造成的太陽能損失，最大限度地減少了與熱局部化效應相關(guān)的熱損失。1?sun下的3D-SSE實驗表明，純PVA的水蒸發(fā)率為3.30?kg?m?2?h?1，添加 6?wt% λ-Ti3O5時最高值為6.09?kg?m?2?h?1。這一創(chuàng)紀錄的水蒸發(fā)率超過了已知的 3D 蒸發(fā)器。3D-SSE外表面的水的表面張力應大于錐形腔表面的水的表面張力，從而驅(qū)動水溶性離子從內(nèi)到外流動，避免了因鹽析而可能導致的水分蒸發(fā)速率降低。同時，3D-SSE 建立的溫度梯度保證了高效利用太陽能產(chǎn)生的熱量來蒸發(fā)水。此外，作者通過長期實驗表明了3D-SSE在真實環(huán)境下的長期穩(wěn)定性。
圖 3D太陽能蒸汽蒸發(fā)系統(tǒng)及實驗結(jié)果
圖 2D-和3D-SSE在1-sun下的水蒸發(fā)率與太陽能轉(zhuǎn)化為蒸汽的效率
總之，作者證明了金屬 λ-Ti3O5 在TSO中具有最高的平均太陽能吸收率。通過將λ-Ti3O5 粉末與具有錐形腔的基于多孔PVA水凝膠的3D-SSE耦合，實現(xiàn)了前所未有的高水蒸發(fā)速率。實現(xiàn)如此高的太陽能吸收率歸因于三個方面：1、Ti-Ti二聚體在EF周圍產(chǎn)生許多平帶，導致高JDOS，從而產(chǎn)生優(yōu)異的太陽能吸收率；2、暴露在λ-Ti3O5表面的Ti-Ti二聚體和U形凹槽對水的吸附和解離有顯著貢獻；3、引入錐形腔體可以使太陽光照射得更深，從而更好地平衡太陽能蒸發(fā)和供水，從而大大增加了吸收陽光和水分蒸發(fā)的有效表面積，并且能夠防止鹽堵塞。
參考文獻：
Yang, B., Zhang, Z., Liu, P. et al. Flatband λ-Ti3O5 towards extraordinary solar steam generation. Nature (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06509-3
