打破记录！东北大学迎来首篇Nature

由于其环境友好的特点，太阳能蒸汽界面蒸发技术在海水淡化和废水净化方面具有广阔的应用前景。为了提高太阳能制蒸汽的效率，以前的大部分努力都集中在有效地收集全太阳光谱的太阳能上。然而，调节接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。

2023年9月13日，东北大学左良团队在Nature 在线发表题为“Flatband λ-Ti3O5 towards extraordinary solar steam generation”的研究论文，该研究提出了一种通过引入平带电子结构来大大提高态的关节密度的途径。研究表明，由于Ti-Ti二聚体在费米能级附近引起的平坦带，金属λ-Ti3O5粉末具有96.4%的高太阳吸收率。

通过将它们纳入具有锥形腔的三维多孔水凝胶蒸发器中，在一个太阳照射下，在没有盐沉淀的情况下，对3.5重量%的盐水实现了前所未有的高蒸发速率，约为每平方米每小时6.09千克。从根本上说，暴露在λ-Ti3O5表面的Ti-Ti二聚体和u型槽结构有利于吸附水分子的解离，有利于界面水以小簇的形式蒸发。该工作强调了Ti-Ti二聚体诱导的平面带在连接太阳能吸收和促进水解离的特殊u形凹槽中的关键作用，为获得具有成本效益的太阳能-蒸汽发电提供了见解。

最后，iNature发现，这是东北大学的首篇Nature研究成果。

随着世界人口增长、环境污染和气候变化，许多国家面临着天然淡水资源严重短缺的问题。海水淡化显然是解决这一迫在眉睫的问题的理想办法，因为海洋是地球上主要的蓄水池。在过去的十年中，太阳能驱动的界面水蒸发，能够局部化太阳能产生的热量，从而附加高效的水蒸馏，已经成为从海水或废水中获取淡水的有前途和可持续的过程。此外，这一基本过程还可以扩展到发电、蒸汽灭菌、燃料生产等。

为了提高太阳能蒸汽发电(SSG)的性能，必须增加太阳能吸收，减少热损失，防止盐堵塞和提高产水量。为实现这一目标，探索高效、低成本的光热材料是当务之急。到目前为止，已经开发了大量的光热材料，包括金属纳米颗粒、碳基材料、窄带隙半导体和杂化水凝胶。通过将它们整合到二维(2D)或三维(3D)蒸发器中，SSG已经取得了实质性进展。目前，一项持续的研究致力于寻找更强大的太阳能收集材料。

原则上，太阳吸收能力主要取决于光激发电子跃迁的特性。为了获得高的太阳吸收率，它不仅需要宽带的太阳吸收，而且需要足够高的接合态密度(JDOSs)。大多数先前的努力都集中在尽可能广泛地使用太阳光谱，而调谐JDOSs在增强太阳吸收方面的重要性却没有得到很好的解决。在这里，问题出现在是否可以找到具有高JDOSs的光热材料来巩固超宽带光跃迁以实现高太阳能吸收。为了达到这一目的，在费米能级(EF)周围存在几个平坦带将是材料设计的一个关键因素。

反射率光谱和电子结构（图源自Nature ）

与金红石型TiO2相比，亚氧化钛(TSOs, TinO2n−1)具有丰富的缺氧特征。显示出可调谐的电学、光学和电化学特性。与仅吸收紫外光的固有半导体TiO2相比，窄带隙半导体刚玉-Ti2O3(C-Ti2O3)具有92.5%的太阳能吸收率。使用多孔聚乙烯醇(PVA)水凝胶与C-Ti2O3纳米颗粒混合，Yu等人报道了在1个太阳照射下水蒸发率为4.0 kg m−2 h−1的记录。最近，由于存在光或应变诱导的可逆λ↔β相变和外部刺激-可控储热，金属λ-Ti3O5纳米粒子引起了人们的兴趣。Ohkoshi等人将λ↔β相变归因于Ti-Ti二聚体在光吸收或压力作用下的畸变。

为了回答这些基本问题，作者对n≤4的TinO2n−1进行了理论和实验相结合的研究。λ-Ti3O5金属粉末的平均太阳吸收率最高，达到96.4%。将其放入锥形腔的三维多孔PVA水凝胶蒸发器中，在1个太阳的照射下，无盐沉淀的水蒸发速率高达6.09±0.07 kg m−2 h−1。这种优异的性能是由于λ-Ti3O5中出现的特殊结构，多孔水凝胶的分层结构和锥形几何结构的特殊设计的协同作用。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06509-3

转自：“iNature”微信公众号

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