太阳能驱动海水淡化的新希望-光热转换材料

你是否想过，如果有一种材料，能够将太阳能高效地转化为热能，从而解决水资源短缺、能源危机、环境污染等全球性的挑战，那将会是多么美好的事情？这种材料是否存在？它是如何工作的？它有什么优势和局限性？它又能给我们的生活带来什么改变和影响？这些问题可能会引起你的好奇心和探究欲望，让我们一起来探索一下光热转换材料的奥秘吧。

光热转换材料是一种能够将吸收的光能转变为热能的一类材料。它的性能决定了这些能量是否可以持续可靠地使用。

目前，光热转换材料可以分为几种类型，根据其作用机制的不同而具有不同的性能，从而使各种材料更适合不同的应用。例如，金属纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯等材料，主要利用表面等离子体共振效应，将光能转化为局部表面等离子体激元（LSPR），进而产生热量；而有机染料、半导体量子点等材料，则主要利用电子跃迁效应，将光能转化为电子激发态，再通过非辐射跃迁释放出热量。

光热转换材料在化工、能源、传感及生命健康领域应用日益广泛。其中最具代表性和前景的应用之一是太阳能驱动的界面水蒸发技术，即利用光热转换材料将太阳能转化为热能，从而使水分子在界面处蒸发成蒸汽。

这种技术可以有效弥补传统水处理技术（如反渗透、多效蒸馏等）的不足，如高耗能、高成本、易产生污泥等。通过界面水蒸发技术，可以实现海水淡化、工业废水处理、医疗消毒等多种目的。据统计，全球约有20亿人面临淡水资源短缺的问题，而70%以上的地球表面被海洋覆盖。因此，利用太阳能驱动海水淡化无疑是解决这一问题的最有效策略。

然而，并非所有的光热转换材料都适合用于界面水蒸发技术。要实现高效的水蒸发，需要满足以下几个条件：

（1）光吸收率高，即能够吸收全太阳光谱范围内的大部分光能；

（2）反射率低，即尽量减少光能的损失；

（3）导热率低，即尽量避免热量向下散失；

（4）亲水性好，即能够促进水分子在界面处聚集和蒸发。

此外，还需要考虑材料的稳定性、成本、可操作性等因素。因此，在设计和选择光热转换材料时，需要综合考虑多方面的因素，并进行优化和改进。

近年来，在国内外学者的不懈努力下，光热转换材料的研究和发展取得了一系列的突破和进展。其中，东北大学左良教授团队、秦高梧教授团队与中国科学院金属研究所陈星秋研究员团队的合作研究结果，最近在Nature上发表，引起了广泛的关注和讨论。

他们从光与物质相互作用的本质出发，发现了一种新型的光热转换材料——亚氧化钛（TinO2n-1）中的λ-Ti3O5。该材料具有以下几个特点：

• 金属性λ-Ti3O5在费米能级附近较宽的能量范围存在源于Ti-3d轨道的多重平带电子态，使得其在全太阳光谱范围内呈现出96.4%的吸光率。平带电子态是指能带结构中能量几乎不随波矢变化的电子态，它可以增强电子跃迁的联合态密度，从而提高光吸收率。
• 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。这些特性使得λ-Ti3O5表层水分子在光照条件下以团簇形式蒸发，而不是传统认为的单分子形式蒸发。
• 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。进一步设计了户外海水淡化和淡水收集装置，置于东北大学南湖校区户外自然光照时的平均日收集淡水量达到23 L m-2 day-1。

这项工作不仅提出了平带光热转换材料的新概念，而且开发了一种全太阳光谱高吸收、低反射、低导热、高亲水性、高稳定性、低成本、易操作的λ-Ti3O5光热转换材料，并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。

海水淡化工厂

这项工作为设计开发高效光热转换材料提供了新的思路和方法，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新的技术方案和应用，为解决全球性的水资源短缺、能源危机、环境污染等问题提供了新的希望和可能。

与此同时，也为光热转换材料的研究和发展开辟了新的领域和方向。例如，如何进一步提高光热转换材料的光吸收率和热稳定性，如何设计更多种类和形态的光热转换材料，如何将光热转换材料与其他功能材料结合，如何实现光热转换材料在其他领域的应用，如光催化、光电、光动力等，都是值得探索和挑战的问题。

在这方面，中国在光热转换材料的研究和发展方面已经取得了世界领先的地位。

根据Web of Science数据库的统计，从2010年到2020年，中国在光热转换材料领域发表了1,253篇论文，占全球总数的41.4%，远高于美国（16.6%）、印度（11.2%）、韩国（5.9%）等其他国家。

其中，中国在Nature、Science、Advanced Materials等高影响力期刊上发表了18篇论文，占全球总数的32.1%，也高于美国（25.0%）、德国（10.7%）、澳大利亚（7.1%）等其他国家。这些数据表明，中国在光热转换材料领域具有强大的创新能力和竞争优势。

当然，我们也不能因此而自满和骄傲。我们还需要不断地学习和借鉴国外的先进理论和技术，加强国际合作和交流，提高自身的科研水平和质量。我们还需要关注光热转换材料的产业化和商业化问题，推动其从实验室走向市场，从而为社会和人类带来更多的福祉。

总之，光热转换材料是一种具有巨大潜力和前景的新型材料。它能够将太阳能高效地转化为热能，从而解决水资源短缺、能源危机、环境污染等全球性的挑战。东北大学等单位在Nature上发表的关于λ-Ti3O5平带光热转换材料的突破性研究进展，为设计开发高效光热转换材料提供了新的思路和方法，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技术方案和应用。这项工作不仅展示了中国在光热转换材料领域的世界领先地位，也激励了我们继续探索和创新光热转换材料的奥秘。

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