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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

研究背景

随着世界人口增长、环境污染和气候变化，海水淡化显然是解决淡水资源严重短缺的理想解决方案。太阳能驱动的界面水蒸发，能够将太阳能产生的热量局域化，从而实现高效的水蒸馏，已成为从海水或废水中获取淡水的有前途和可持续的过程，这一工艺还被拓展到发电、蒸汽灭菌、燃料生产等领域。为了提高太阳能蒸汽转换（SSG）性能，探索高效、低成本的光热材料是首要关注的问题。

然而，高效光热材料的开发仍存在以下问题：

1、前期的工作忽略了通过调整联合态密度增强太阳光吸收的研究

为了获得高的太阳吸收率，不仅需要宽带的太阳吸收，而且还需要足够高的联合态密度( JDOSs )。但前期工作都集中在尽可能广泛地利用太阳光谱，而通过调整JDOS以增强太阳吸收尚未被深入研究。

2、费米能级周围存在多个平带是高JDOSs材料设计的关键因素

利用一种具有高JDOS的光热材料来巩固超宽带光学跃迁以获得高的太阳吸收是提高光热效率的有效途径，为了达到这个目的，在费米能级附近存在多个平带将是材料设计的一个关键因素。

有鉴于此，东北大学副校长左良教授等人提出了一种通过引入平带电子结构来大大提高联合态密度的方法。研究表明，由于Ti-Ti二聚体在费米能级周围诱导的平带，金属λ-Ti₃O₅ 粉末表现出高达96.4%的太阳能吸收率。通过将它们整合到具有锥形腔的三维多孔水凝胶蒸发器中，在1-sun照射下，3.5 wt％的盐水可以达到前所未有的高蒸发速率，约为6.09 kg/(m²h)，且没有盐沉淀。本质上，暴露在λ-Ti₃O₅表面的Ti-Ti二聚体和U形凹槽结构促进了吸附水分子的解离，且有利于界面水以小团簇的形式蒸发。该工作强调了Ti-Ti二聚体诱导的平带在束缚太阳能吸收方面的关键作用以及独特的U形凹槽在促进水解离方面的关键作用，为获得具有成本效益的太阳能发电提供了重要见解。

技术方案：

1、解析了TSO的太阳能吸收率和光热转化

作者揭示了λ-Ti₃O₅的形态特征和亲水特性，表明了λ-Ti₃O₅的高太阳吸收率和高光热转化率，通过理论计算表明高太阳能吸收率源自样品Ti-Ti二聚体的Ti 3d态具有EF周围多个平坦能带，为有效光学跃迁创造了高JDOS。

2、探究了2D-SSE的SSG性能和机制

作者通过将λ-Ti₃O₅粉末分散到纤维素膜上制备了2D 太阳能蒸汽蒸发器，探究了2D-SSE的蒸发率，表明暴露在 λ-Ti₃O₅表面的Ti-Ti二聚体和U形凹槽对水的吸附和解离有显着贡献。

3、设计了3D SSG并获得了创纪录的水蒸发率

作者设计开发了带有锥形腔的3D圆柱形蒸发器，最大限度地减少了与热局部化效应相关的热损失并获得了创纪录的水蒸发率。

技术优势：

1、通过平带电子结构引入，获得了高达96.4%的太阳能吸收率

作者认为TSO 中存在的内在氧缺陷为形成具有不同电子能带结构的独特 Ti-Ti二聚体提供了独特的机会，通过对n≤4的Ti_nO_2n−1进行综合理论和实验研究，发现金属 λ-Ti₃O₅ 粉末表现出最高的平均太阳能吸收率，达到96.4%。

2、通过材料与器件的耦合，实现了极高的水蒸发速率

作者将金属 λ-Ti₃O₅结合到具有锥形腔的3D多孔PVA水凝胶蒸发器中，实现了极高水蒸发速率，且没有盐沉淀，这归功于λ-Ti₃O₅的独特结构、多孔水凝胶的分层结构和圆锥几何形状的特殊设计的协同效应。

技术细节

TSO的太阳能吸收率和光热转化

作者通过 Rietveld精修法鉴定了所制备的λ-Ti₃O₅、β-Ti₃O₅和Ti₄O₇粉末的晶体结构，揭示了λ-Ti₃O₅的形态特征和亲水特性。在整个太阳光谱范围内，λ-Ti₃O₅的平均吸收率为96.4%，β-Ti₃O₅的平均吸收率为95.7%，是所考查的TSO中最好的太阳吸收率。计算结果表明TSO的EF周围具有相对平坦能带的共同特征，这种平带的存在不仅拓宽了太阳光吸收的波长范围，而且还为有效光学跃迁创造了高JDOS，从而产生了整体高太阳光吸收率。使用测温方法评估样品的光热转换能力，结果表明λ-Ti₃O₅在最短的时间内达到最高表面温度。金属λ-Ti₃O₅不仅提供了最高的整体太阳能吸收率，而且在这些TSO中提供了最有效的光热转换。

图  反射光谱和电子结构

2D SSG

作者通过将λ-Ti₃O₅粉末分散到纤维素膜上制备了2D 太阳能蒸汽蒸发器（2D-SSE），分别探究了有无光照条件下的2D-SSE的水蒸发率。2D-SSE的蒸发率为1.42 kg m⁻² h⁻¹，是散装水蒸发的四倍多。在实验数据的基础上，进一步利用测温方法估算了界面水的汽化焓和SSG的效率。在1 sun的辐照下，39.6°C时，λ-Ti₃O₅粉末表面水的汽化焓计算为1696 kJ kg⁻¹。然而，由于2D-SSE的表面温度相对较高，计算出的SSG效率仅为68.30%左右。进一步地，作者通过理论计算揭示了界面水和λ-Ti₃O₅表面之间的相互作用，结果表明暴露在 λ-Ti₃O₅表面的 Ti-Ti 二聚体和 U 形凹槽对水的吸附和解离有显着贡献。特别是亚稳态H₃O*单元的频繁出现，伴随着质子的快速转移，有利于界面水以小团簇的形式蒸发。

图  2D-SSE系统及实验结果

图  λ-Ti₃O₅(110)表面辅助水的吸附和解离

3D SSG

作者设计开发了带有锥形腔的3D圆柱形蒸发器以避免能量损失。多孔PVA水凝胶的分层结构和λ-Ti₃O₅粉末的均匀分散极大地扩大了太阳能吸收和水蒸发的有效表面积，锥形腔减少了反射造成的太阳能损失，最大限度地减少了与热局部化效应相关的热损失。1 sun下的3D-SSE实验表明，纯PVA的水蒸发率为3.30 kg m⁻² h⁻¹，添加 6 wt% λ-Ti₃O₅时最高值为6.09 kg m⁻² h^−1。这一创纪录的水蒸发率超过了已知的 3D 蒸发器。3D-SSE外表面的水的表面张力应大于锥形腔表面的水的表面张力，从而驱动水溶性离子从内到外流动，避免了因盐析而可能导致的水分蒸发速率降低。同时，3D-SSE 建立的温度梯度保证了高效利用太阳能产生的热量来蒸发水。此外，作者通过长期实验表明了3D-SSE在真实环境下的长期稳定性。

图  3D太阳能蒸汽蒸发系统及实验结果

图  2D-和3D-SSE在1-sun下的水蒸发率与太阳能转化为蒸汽的效率

总之，作者证明了金属 λ-Ti₃O₅ 在TSO中具有最高的平均太阳能吸收率。通过将λ-Ti₃O₅ 粉末与具有锥形腔的基于多孔PVA水凝胶的3D-SSE耦合，实现了前所未有的高水蒸发速率。实现如此高的太阳能吸收率归因于三个方面：1、Ti-Ti二聚体在EF周围产生许多平带，导致高JDOS，从而产生优异的太阳能吸收率；2、暴露在λ-Ti₃O₅表面的Ti-Ti二聚体和U形凹槽对水的吸附和解离有显着贡献；3、引入锥形腔体可以使太阳光照射得更深，从而更好地平衡太阳能蒸发和供水，从而大大增加了吸收阳光和水分蒸发的有效表面积，并且能够防止盐堵塞。

参考文献：

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