▲ 第一作者：Bo Yang (杨波)
通讯作者：Liang Zuo (左良)
通讯单位：东北大学
论文doi：
10.1038/s41586-023-06509-3
01
背景介绍
太阳能驱动界面水蒸发技术因其环境友好的特性，在海水淡化和污水净化方面具有广阔的应用前景。为了提高太阳能蒸汽的效率，大多数研究工作都集中在有效收集整个太阳光谱的太阳能上。然而，调节联合态密度对增强光热材料的太阳吸收的重要性却没有得到重视。
02
本文亮点
1.本工作提出了一种通过引入平带电子结构来大幅提高联合态密度的方法。研究发现，由于钛-钛二聚体在费米水平附近诱导了平带，金属 λ-Ti3O5 粉末显示出96.4%的高太阳能吸收率。
2.将光热转换材料λ-Ti3O5与聚乙烯醇（PVA）混合，制作出了三维多孔连通结构的蒸发器，在1个太阳光照条件下（1 kW m-2）获得了高达6.09 kg m-2 h-1的水蒸发速率，创造了长时间工作且无盐分析出的太阳能驱动光热水蒸发速率的新纪录。
3.利用第一性原理分子动力学模拟研究发现，λ-Ti3O5最稳定的表面上的Ti-Ti二聚体能够将最初化学吸附的部分水分子分解为羟基（-OH）和氢（H），且二者分别与λ-Ti3O5表面Ti原子和O原子结合，导致λ-Ti3O5表面羟基化；此外，该表面特殊的U型槽结构能够促使快速的质子交换，使得羟基化表面上物理吸附的水分子层中易于形成亚稳的H3O*单元，可弱化含H3O*的水分子团簇与其周围水分子之间的氢键作用。结合实验验证，从本质上揭示了λ-Ti3O5表层水分子在光照条件下以团簇形式蒸发的机制，革新了水以单分子形式蒸发的传统认知。
03
图文解析
图1. 反射光谱和电子结构
要点：
1、通过X射线衍射验证了商业TiO和C-Ti2O3粉末的晶体结构，并通过Rietveld精修确定了所制备的λ-Ti3O5、β-Ti3O5和Ti4O7粉末的晶体结构。揭示了λ-Ti3O5的形貌特征和亲水性能。TiO、C-Ti2O3、λ-Ti3O5、β-Ti3O5和Ti4O7的光学反射率光谱见图1a、b。
2、通过第一性原理计算进行了预测，并通过紫外-可见-近红外光谱进行了测量。理论和实验结果一致表明，所有这些TSO在整个太阳光谱范围内都具有较低的反射率，其中λ-Ti3O5和β-Ti3O5的反射率远低于其他TSO。
3、根据测量数据，计算出λ-Ti3O5和β-Ti3O5在整个太阳光谱范围内的平均吸收率分别为96.4%和95.7%，是所有TSOs中的最大值。
图2. 二维-SSE系统和实验结果
要点：
1、将λ-Ti3O5粉体(光吸收剂)分散到纤维素膜上，制备了二维太阳能蒸汽蒸发器(2D-SSE;图2a,b)。它由一片隔热聚乙烯泡沫片支撑。考察了2D-SSE在黑暗条件和1 太阳光照射下的水蒸发速率。
2、对于体相水的直接蒸发，在黑暗条件下，当平衡温度(TE)为24.8℃时，测得的蒸发速率为0.09 kg m-2 h-1；在1 太阳(图2c,d)照射下，当TE=29.2℃时，测得的蒸发速率为0.39 kg m-2 h-1。
3、利用2D-SSE测得在黑暗条件下TE=21.9℃时的蒸发速率为0.22 kg m-2 h-1，在辐照(图2c,d)的1 太阳下TE=39.6℃时的蒸发速率为1.64±0.02 kg m-2 h-1。2D-SSE的净暗排除蒸发速率为1.42 kg m-2 h-1，是体水蒸发速率的4倍多。
图3. λ-Ti3O5(110)表面对水的吸附和解离作用
要点：
1、图3a是一个干净的λ-Ti3O5表面，表面由两层交替排列的U型grOOV组成。对于采用的每层含有6个Ti原子和10个O原子的超晶胞(图3b)，上层(形成3个Ti-Ti二聚体)的6个表面Ti原子全部与O原子配位5次，上层的6个表面O原子(Os)由于1个截断的Ti-O键与Ti原子配位3次。
2、其他的Ti和O原子保持与体相中相同的配位。在上下层之间形成了一种奇特的U型grOOVe结构。一旦这种干净的表面暴露在空气中，它将很容易通过从空气中化学吸附水分子进行水化，或通过解离吸附水分子的方式进行羟基化(图3c)。
3、水的解离只需要克服一个微小的能垒(小于0.06 eV,图3f,g)，说明这个过程在有限温度下几乎可以自发发生。本工作的长期(100 ps)从头算分子动力学(AIMD)模拟表明，当羟基化和水合表面与水接触时，水的物理吸附和解离都是通过氢键连接到表面的Ti-OH或OsH基团发生的(图3d)。这导致了H3O*和H2O之间的往返传输，有利于水以团簇的形式蒸发。
图4. 三维太阳能蒸汽蒸发系统和实验结果
图5. 已知二维和三维SSE在1个太阳辐照条件下的水蒸发率与太阳-蒸汽效率的关系
要点：
1、为了避免2D-SSE的能量损失，本工作设计了带有(3D-SSE;图4a,b)锥腔的3D圆柱形蒸发器。将λ-Ti3O5粉末与多孔PVA水凝胶和棉花混合制成，通过调节3D-SSE的有效高度和λ-Ti3O5粉末的重量百分比进行优化。
2、多孔PVA水凝胶的分级结构和λ-Ti3O5粉末的均匀分散极大地扩大了太阳能吸收和水分蒸发的有效表面积。此外，锥形腔通过反射减少了太阳能损失，更重要的是，最大限度地减少了与热局部化效应相关的热损失。
3、本工作在1 太阳照射下的3D-SSE实验表明，纯PVA的水分蒸发速率为3.30 kg m-2 h-1，在添加6 wt% λ-Ti3O5时达到最高值6.09 kg m-2 h-1 (图4c)。值得注意的是，这个记录的水蒸发速率超过了已知的3D蒸发器，如图5所示。在黑暗条件下，含有6 wt% λ-Ti3O5的3D-SSE的水蒸发速率为1.78 kg m-2 h-1。
04
总结展望
该工作发现Ti原子二聚体化引入的多重平带电子态，据此提出了平带光热转换材料的新概念，研发出了全太阳光谱高吸收、低反射的λ-Ti3O5光热转换材料；结合三维多孔连通结构蒸发器设计，创造了光热水蒸发速率的世界纪录。研究结果为不仅设计开发高效光热转换材料提供了新的思路，而且为利用太阳能驱动海水淡化以及工业废水节能化处理提供了新的策略。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06509-3
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