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《东北大学左良教授最新Nature：平带λ-Ti3O5用于非凡的太阳能蒸汽产生》

  • 来源专题：先进材料
  • 编译者： 李丹
  • 发布时间：2023-11-12

  • 来自材料牛

    【导读】

    太阳能蒸汽界面蒸发具有环境友好的特点，是一种很有前途的海水淡化和污水净化策略。为了提高太阳能到蒸汽的发电量，以前的大多数努力都集中在在整个太阳光谱范围内有效地收集太阳能。然而，调节联合态密度在增强光热材料太阳光吸收方面的重要性却很少被强调。



    【成果掠影】

    今日，东北大学左良教授课题组提出了一种通过引入平带电子结构来大幅度提升联合态密度的方法。本工作的研究表明，由于Ti-Ti二聚体在费米能级附近诱导的平带，金属λ-Ti3O5粉末显示出高达96.4%的太阳吸收率。通过将它们集成到具有锥形空腔的三维多孔水凝胶基蒸发器中，在1?太阳照射下，3.5?重量百分比的盐水实现了前所未有的高蒸发速率，约为6.09?kg?m-2?h-1，而没有盐沉淀。本质上，暴露在λ-Ti3O5表面的Ti-Ti二聚体和U型grOOVe结构促进了吸附水分子的解离，并以小团簇的形式有利于界面水的蒸发。本工作强调了Ti-Ti二聚体诱导的平带在束缚太阳能吸收和特殊的U型grOOV促进水分解方面的重要作用，为实现经济有效的太阳能蒸汽发电提供了见解。相关论文以题为“Flatband λ-Ti3O5 towards extraordinary solar steam generation”的论文发表在Nature上。


    【成果启示】



    总之，本工作证明了金属λ-Ti3O5在TSOs中具有最高的平均太阳吸收率，为96.4%。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-2?h-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。



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


  • 原文来源：http://www.cailiaoniu.com/254312.html
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    • 南京大学朱嘉教授课题组在高效“界面光热转换”领域取得新进展，揭示了界面光热转换的动力学优势并应用在蒸汽灭菌领域中，该工作以《Interfacial solar steam generation enabled fast responsive, energy efficient and low cost off-grid sterilization》为题发表在Advanced Materials上(DOI:10.1002/adma.201805159）。课题组硕士研究生李金磊为该论文的第一作者，朱嘉教授为论文的通讯作者，该工作得到了南京大学生命科学院刘常宏教授课题组、杨永华教授课题组、斯坦福大学材料工程系Luca Bertoluzzi博士的帮助和支持，和南京大学祝世宁院士的指导和支持。 蒸汽灭菌是医疗过程中使用最为广泛、最为可靠的灭菌方式之一。但传统的蒸汽灭菌技术需要消耗电能，而在发展中国家和地区，约有15亿人长期缺乏电能供给；在野外、灾害等特殊场景下，电力的稳定供应也无法保障。有效、可靠的灭菌技术的匮乏使得这些地区的人民暴露在多种危险的由病原体感染导致的流行疾病下。因此，为离网地区与特殊场景提供一种可靠、高效、低成本的灭菌方式迫在眉睫。 在这些远离电网的地区，太阳能资源往往十分丰富,因此近些年来，太阳能驱动的蒸汽灭菌技术引起广泛的关注。如图1a所示，蒸汽灭菌包括三个阶段，即：升温阶段（蒸汽温度升高到灭菌温度），保温阶段（蒸汽温度越高，时间越短）以及降温阶段（蒸汽温度降低到100℃，以安全打开灭菌器）。然而之前的太阳能灭菌技术多数基于体块加热方式（即加热全部的水体）来产生高温蒸汽。这种加热策略使得升温过程及降温过程都耗时很长，能量利用率低，极大限制了这种技术的实际推广和应用。 朱嘉教授课题组近几年一直系统地研究高效界面光热转换及其在太阳能海水淡化、水处理等领域的应用。区别于传统的体块加热，界面光热转换过程中仅将位于水-气界面的水分子持续不断地活化变为蒸汽，而大部分水体仍然可以保持在较低的温度状态。之前“界面光热转换”领域的工作主要关注其热力学优势，即太阳能-蒸汽的高能量转换效率；而这一工作首次揭示了其动力学优势，即由于只需要加热界面水分子，“热质量”被大大降低，从而产生高温蒸汽并达到稳态的速度会有量级提升。 基于界面加热的太阳能灭菌技术可以快速、高效地产生蒸汽；达到更高的准稳态蒸汽温度，大大缩短灭菌过程的保温时间；同时也可快速地冷却下来，这有利于连续灭菌循环操作，从而极大的提高灭菌器的处理能力。该系统在响应速度和单位蒸汽的能耗均要优于商业化的传统灭菌以及其他太阳能蒸汽灭菌技术。 朱嘉教授课题组进一步开发出了基于界面加热方式的太阳能蒸汽灭菌器概念模型。该灭菌器可以对多种细菌营养体及芽孢实现有效的杀灭，灭菌效果均超过国际卫生组织对医疗器械灭菌的要求（图3）。值得一提的是，该系统的运行成本及寿命周期成本均要比商业灭菌器件低一个量级，使得这种灭菌器非常适合在广大发展地区推广和应用。此外，这种灭菌系统环境友好的，每个系统在生命周期中可以减少二氧化碳排放67吨。因此该系统的推广和应用不仅可以为远离电网的地区提供快速、有效、负担的起的灭菌方式，还可以推进这些地区的节能减排。
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