9月13日，Nature在線發(fā)表了東北大學左良教授團隊、秦高梧教授團隊與中國科學院金屬研究所陳星秋研究員團隊的合作研究結(jié)果，論文題目為“Flatband λ-Ti3O5 towards extraordinary solar steam generation”。該論文第一作者為東北大學材料科學與工程學院/材料各向異性與織構(gòu)教育部重點實驗室楊波副教授，通訊作者為左良教授。
據(jù)悉，這是東北大學作為第一完成單位發(fā)表的首篇Nature，實現(xiàn)歷史性突破。值得一提的是，2023年1月12日，東北大學首次以第一單位在《Science》上發(fā)表了題為“Ductile 2-GPa steels with hierarchical substructure”的研究成果。獲取具有寬吸收譜、高吸收率的光熱轉(zhuǎn)換材料，是將太陽能高效轉(zhuǎn)換為熱能需要解決的首要問題。該研究從光與物質(zhì)相互作用的本質(zhì)出發(fā)，通過第一性原理計算和實驗研究發(fā)現(xiàn)，亞氧化鈦（TinO2n-1）中存在的Ti-Ti二聚體結(jié)構(gòu)導致Ti-3d電子在實空間的局域化，并在費米能級附近引入平帶電子態(tài)，從而增強電子躍遷的聯(lián)合態(tài)密度。如圖1所示，金屬性λ-Ti3O5在費米能級附近較寬的能量范圍存在源于Ti-3d軌道的多重平帶電子態(tài)，使得其在全太陽光譜范圍內(nèi)呈現(xiàn)出96.4%的吸光率。 圖1. a，λ-Ti3O5晶體結(jié)構(gòu)及Ti-Ti二聚體；b，λ-Ti3O5能帶結(jié)構(gòu)與電子態(tài)密度；c-e，λ-Ti3O5在不同波長光照下電子躍遷示意圖（c-紫外，d-可見，e-近紅外）；f，Ti4O7、β-Ti3O5和λ-Ti3O5實測反射光譜利用第一性原理分子動力學模擬研究發(fā)現(xiàn)（圖2），λ-Ti3O5最穩(wěn)定的表面上的Ti-Ti二聚體能夠?qū)⒆畛趸瘜W吸附的部分水分子分解為羥基（-OH）和氫（H），且二者分別與λ-Ti3O5表面Ti原子和O原子結(jié)合，導致λ-Ti3O5表面羥基化；此外，該表面特殊的U型槽結(jié)構(gòu)能夠促使快速的質(zhì)子交換，使得羥基化表面上物理吸附的水分子層中易于形成亞穩(wěn)的H3O*單元，可弱化含H3O*的水分子團簇與其周圍水分子之間的氫鍵作用。結(jié)合實驗驗證，從本質(zhì)上揭示了λ-Ti3O5表層水分子在光照條件下以團簇形式蒸發(fā)的機制，革新了水以單分子形式蒸發(fā)的傳統(tǒng)認知。圖2. a，λ-Ti3O5（1-10）表面的U型槽結(jié)構(gòu)；b-e，水分子在λ-Ti3O5（1-10）表面的吸附和分解第一性原理分子動力學模擬；f-g，水分子在λ-Ti3O5（1-10）表面分解的能壘計算（f-表面吸附1個水分子，g-表面吸附2個水分子）；h， λ-Ti3O5（1-10）表面不同水層中的氫鍵長度分布基于上述理解，將光熱轉(zhuǎn)換材料λ-Ti3O5與聚乙烯醇（PVA）混合，制作出了三維多孔連通結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器，在1個太陽光照條件下（1 kW m-2）獲得了高達6.09 kg m-2 h-1的水蒸發(fā)速率，創(chuàng)造了長時間工作且無鹽分析出的太陽能驅(qū)動光熱水蒸發(fā)速率的新紀錄（圖3a，b）。進一步設計了戶外海水淡化和淡水收集裝置，置于東北大學南湖校區(qū)戶外自然光照時的平均日收集淡水量達到23 L m-2 day-1（圖3c-e），展現(xiàn)出了良好的應用前景。圖3. a，λ-Ti3O5-PVA三維多孔連通結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率；b，不同光熱轉(zhuǎn)換材料蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率與光-氣轉(zhuǎn)換效率比較；c，戶外海水淡化裝置；d，太陽光能量、淡水收集速率和收集淡水總量隨時間變化；e，日平均光通量和淡水收集速率該工作發(fā)現(xiàn)Ti原子二聚體化引入的多重平帶電子態(tài)，據(jù)此提出了平帶光熱轉(zhuǎn)換材料的新概念，研發(fā)出了全太陽光譜高吸收、低反射的λ-Ti3O5光熱轉(zhuǎn)換材料；結(jié)合三維多孔連通結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器設計，創(chuàng)造了光熱水蒸發(fā)速率的世界紀錄。研究結(jié)果為不僅設計開發(fā)高效光熱轉(zhuǎn)換材料提供了新的思路，而且為利用太陽能驅(qū)動海水淡化以及工業(yè)廢水節(jié)能化處理提供了新的策略。
