顆粒在線訊：尋找一種從任何水源（包括海水、受重金屬污染的水和含細菌的水）生產(chǎn)飲用水的方法對于解決全球飲用水短缺和土地鹽漬化問題極其重要。太陽能蒸發(fā)被認為是解決這些問題的最有希望的策略。高效太陽能蒸發(fā)的關(guān)鍵是設(shè)計一種優(yōu)化的界面蒸發(fā)材料。近年來，已經(jīng)研究了許多種有希望的候選材料。其中，等離子體材料（基于金、銀和鉑等金屬）具有高濃度的自由載流子。吸收的能量通過電子-聲子散射轉(zhuǎn)化為熱量，隨后通過聲子-聲子弛豫消散到環(huán)境中。碳基材料具有優(yōu)異的吸光性，隨后的電子-電子散射可以實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換。雖然基于這些材料開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)取得的巨大進步，但由于太陽能蒸汽轉(zhuǎn)換效率低和惡劣條件下的環(huán)境耐受性，大規(guī)模應(yīng)用仍然受到阻礙。

鑒于此，中國科學院過程工程研究所張鎖江院士和王丹研究員開發(fā)了一種超穩(wěn)定的無定形Ta2O5/C納米復(fù)合材料被設(shè)計為具有用于太陽能蒸發(fā)的中空多殼結(jié)構(gòu)（HoMS）。獨特的中空多殼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了高效的光吸收、光熱轉(zhuǎn)換、實際水蒸發(fā)焓的降低以及高達4.02 kg m-2 h-1的超快蒸發(fā)速率。更重要的是，這種復(fù)合材料可以從海水、含重金屬和細菌的水，甚至是極酸性/堿性或放射性水源中獲得世界衛(wèi)生組織標準的飲用水。值得注意的是，假病毒SC2-P的濃度在蒸發(fā)后可以降低6個數(shù)量級。這種無定形Ta2O5/C復(fù)合材料易于制造、攜帶、儲存和回收，可用于大規(guī)模清潔水收集、水中重金屬富集，也為土壤修復(fù)提供了解決方案。相關(guān)工作以“Highly Efficient Photothermal Conversion and Water Transport during Solar Evaporation Enabled by Amorphous Hollow Multishelled Nanocomposites”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。

成分和結(jié)構(gòu)表征

作者通過從原子尺度到微/納米尺度的精確結(jié)構(gòu)設(shè)計，制造了由碳和無定形Ta2O5組成的HoMS，用于構(gòu)建具有間接帶隙和高效光熱的超級吸收器。HoMS殼之間的空腔通過毛細管泵效應(yīng)促進水的傳輸（圖1）。HoMS中的納米孔通過在蒸發(fā)過程中將水分子修改為簇來降低實際蒸發(fā)焓，從而對水擴散產(chǎn)生限制作用。具有短程有序非晶相的Ta2O5/C HoMS在500 °C下制造60分鐘，這可以通過觀察到的原子在殼中的隨機排列來證明（圖2）。電子能量損失譜（EELS）映射顯示該樣品的殼層由Ta、O和C原子復(fù)合而成。此外，碳量可以通過調(diào)整退火時間來控制：退火60分鐘后18wt%（Ta2O5/C-HoMS-500-60m）和退火180分鐘后1wt%（Ta2O5/C-HoMS-500-180m)。研究結(jié)果表明，Ta2O5/C-HoMS的亞基是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，以無定形Ta2O5為核心，表面有碳基網(wǎng)絡(luò)涂層。

圖1通過無定形Ta2O5/C HoMS高效產(chǎn)生太陽能蒸汽的示意圖

圖2 Ta2O5/C HoMS的組成和結(jié)構(gòu)分析

光收集和光熱轉(zhuǎn)換

Ta2O5/C-HoMS-500-60m實現(xiàn)了高效的光吸收和最低的光致發(fā)光(PL)強度。這表明Ta2O5/C-HoMS-500-60m可以將最多的能量傳遞給聲子（熱），即作為光子釋放的能量最少（圖3）。在太陽輻射照射（1 kW m-2）下，無定形Ta2O5/C-HoMS-500-60m粉末可以在短短3分鐘內(nèi)從室溫加熱到91 °C，而具有低碳含量（Ta2O5-HoMS-500-180m）和晶體結(jié)構(gòu)（Ta2O5-HoMS-800-60m）分別只能達到48和40°C。Ta2O5/C-HoMS-500-60m的溫度在水表面施加相同輻射60分鐘后最高。非晶Ta2O5/C HoMS產(chǎn)生更強的熱量積累，導致內(nèi)殼具有更高的溫度。這種內(nèi)外溫度梯度提供了加速水分蒸發(fā)的驅(qū)動力，降低了能耗，從而確保了超高的水分蒸發(fā)能力。

圖3 Ta2O5/C HoMS的太陽能吸收和光熱轉(zhuǎn)換

太陽輻照下的高效蒸發(fā)、蒸發(fā)機制和海水淡化凈化能力

無定形樣品（Ta2O5/C-HoMS-500-60m）的太陽能蒸發(fā)速率高達4.02 kg m-2 ?-1。在連續(xù)補水系統(tǒng)的24小時和30天測試后，蒸發(fā)速度幾乎沒有變化，表明長期穩(wěn)定性。作者將這種高效的水蒸發(fā)歸因于光吸收、光熱轉(zhuǎn)換和水傳輸?shù)娘@著改進。首先，由于能帶結(jié)構(gòu)的改變，碳的引入使寬帶光吸收成為可能。其次，獨特的中空多殼結(jié)構(gòu)有助于捕獲光，從而增強光吸收以促進光熱轉(zhuǎn)換。此外，由于毛細管泵效應(yīng)，HoMS中的密閉腔促進了液態(tài)水的擴散。Ta2O5/C-HoMS-500-60m在太陽輻射下表現(xiàn)出優(yōu)異的海水淡化和凈化能力。中國渤海水和被重金屬、有機物和細菌污染的水分別實現(xiàn)了大約3.96、4.01、3.98和3.94 kg m-2 h-1的高蒸發(fā)率。經(jīng)過24 h測試后，經(jīng)太陽能淡化凈化后可直接收集低鹽度、污染可忽略的飲用水，無需鹽析。此外，在太陽能凈化后收集的水中幾乎沒有檢測到有機污染物、殺蟲劑或細菌。這種優(yōu)異的光蒸汽發(fā)生材料可以應(yīng)用于更惡劣的條件，如極酸性（2 M H2SO4）或堿性（4 M NaOH）水溶液。為了應(yīng)對COVID-19的全球流行，對被假病毒SC2-P污染的水進行了測試。在蒸發(fā)的水中無法直接檢測到病毒。將水濃縮100倍后檢測到病毒DNA，蒸發(fā)后的SARS-CoV-2顆粒終濃度為11.8±1.4 particle mL-1，比原緩沖液低6個數(shù)量級。

圖4通過HoMS增強水分蒸發(fā)

小結(jié)：作者制備了無定形Ta2O5/C納米復(fù)合材料并證明了其超高的太陽能蒸發(fā)率的原因。首先，HoMS構(gòu)建塊中精確的原子和成分控制實現(xiàn)了在費米能級附近具有豐富能態(tài)的間接帶隙結(jié)構(gòu)，這增強了非輻射弛豫，促進了光熱轉(zhuǎn)換。其次，獨特的中空多殼結(jié)構(gòu)有助于捕獲光，從而增強光吸收以促進光熱轉(zhuǎn)換，并建立熱場梯度以提供附加驅(qū)動力的快速蒸汽蒸發(fā)。由于毛細管泵效應(yīng)，HoMS中的納米孔使水分子以較少的能量消耗成簇蒸發(fā)。重要的是，這種材料不僅可以從海水和含重金屬的水中獲得可飲用的水，而且還從極酸性和堿性水、放射性水，甚至被細菌和高傳染性病毒污染的水中收集安全的飲用水。