东北大学左良教授团队 Nature: 平带λ-Ti₃O₅实现非凡的太阳能蒸汽生成

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2023年9月13日，Nature 在线发表了东北大学左良教授课题组的研究论文，题目为 “ Flatband λ-Ti₃O₅ towards extraordinary solar steam generation ”。太阳能蒸汽界面蒸发由于其环境友好的特点，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生成的效率，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，调节联合态密度（JDOSs）在增强光热材料的太阳能吸收的重要性却没有得到重视。在此研究中，作者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途径。研究表明，由于Ti-Ti二聚体在费米能级附近诱导的平带，金属λ-Ti₃O₅粉末显示出96.4%的高太阳能吸收率。通过将它们结合到具有锥形腔的三维多孔水凝胶蒸发器中，在一个太阳照射且没有盐沉淀的情况下，对3.5 wt%的盐水实现了前所未有的高蒸发率，约为6.09 kg m⁻² h⁻¹。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，并有利于界面水以小团簇的形式蒸发。这项研究工作强调了Ti–Ti二聚体诱导的平带在增强太阳能吸收方面以及特殊U形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蒸汽生成提供了见解。

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图1 反射率谱和电子结构

图2 二维太阳能蒸汽蒸发器系统及实验结果

图3 λ-Ti₃O₅(1-10)表面辅助水吸附和解离

图4 三维太阳能蒸汽蒸发系统及实验结果

图5 已知二维和三维太阳能蒸汽蒸发器的水蒸发率与太阳能-蒸汽效率       通过将λ-Ti₃O₅粉末掺入具有锥形空腔的多孔PVA水凝胶基3D-SSE中，在1 太阳照射下实现了前所未有的高水蒸发速率6.09 kg m^-2h^-1。这种突出表现可以归结为三个方面。首先，Ti-Ti二聚体在EF周围诱导出许多平坦的能带，从而导致高的JDOS，因此具有优越的太阳能吸收率。λ-Ti₃O₅的这一优点，结合其低的热导率，保证了有效的太阳能到热能的转换和高的热局域化。其次，暴露在λ-Ti₃O₅表面的Ti-Ti二聚体和U型grOOVs对水的吸附和解离都有显著的贡献。特别是，亚稳态H₃O*单元的频繁出现，伴随着质子的快速转移，以小团簇的形式促进了界面水的蒸发。第三，引入锥形腔可以使太阳光更深入，从而更好地平衡太阳能蒸发和供水之间的关系。因此，用于太阳能吸收和水蒸发的有效表面积大大增加，并能够防止盐堵塞。

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06509-3

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