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　　9月13日(ri)，Nature在線發表了東北(bei)大學(xue)左(zuo)良教(jiao)授團(tuan)隊(dui)、秦高梧教(jiao)授團(tuan)隊(dui)與(yu)(yu)中國科(ke)學(xue)院(yuan)金屬研(yan)究(jiu)(jiu)所陳(chen)星秋研(yan)究(jiu)(jiu)員(yuan)團(tuan)隊(dui)的合作(zuo)研(yan)究(jiu)(jiu)結果，論文題目為“Flatband λ-Ti3O5 towards extraordinary solar steam generation”。該論文第(di)一作(zuo)者(zhe)(zhe)為東北(bei)大學(xue)材料(liao)科(ke)學(xue)與(yu)(yu)工(gong)程學(xue)院(yuan)/材料(liao)各向異性與(yu)(yu)織構教(jiao)育部重點(dian)實驗室楊波(bo)副教(jiao)授，通訊(xun)作(zuo)者(zhe)(zhe)為左(zuo)良教(jiao)授。

　　受人口增長、環境(jing)污染以及氣候變(bian)化(hua)等因素的(de)(de)影響，淡(dan)水(shui)(shui)(shui)資(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)短缺問題日(ri)益(yi)嚴峻。根據全(quan)球(qiu)水(shui)(shui)(shui)資(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)經濟委員會(hui)最新研究(jiu)報(bao)告，到2030年全(quan)球(qiu)淡(dan)水(shui)(shui)(shui)供應(ying)短缺將達到40%。鑒于70%以上的(de)(de)地(di)球(qiu)表面(mian)被海洋覆蓋，海水(shui)(shui)(shui)淡(dan)化(hua)無疑是破解這(zhe)一急迫問題的(de)(de)最有(you)(you)效策略。近年來，科研人員致力探(tan)索基于光熱轉換效應(ying)的(de)(de)太陽能驅動界(jie)面(mian)水(shui)(shui)(shui)蒸發技術，其(qi)在減輕(qing)化(hua)石能源(yuan)(yuan)(yuan)消(xiao)耗(hao)與環境(jing)污染壓(ya)力、保障清潔水(shui)(shui)(shui)資(zi)源(yuan)(yuan)(yuan)安全(quan)供給方面(mian)有(you)(you)著廣闊的(de)(de)應(ying)用前景。

　　獲(huo)取具(ju)有(you)寬吸(xi)收譜(pu)、高吸(xi)收率的(de)(de)光熱(re)轉(zhuan)換材(cai)料，是將太(tai)(tai)陽能高效轉(zhuan)換為熱(re)能需要(yao)(yao)解(jie)決的(de)(de)首要(yao)(yao)問題(ti)。該研究從(cong)光與(yu)物質相互作用的(de)(de)本質出發，通(tong)過(guo)第(di)一性(xing)原理計算和實驗研究發現，亞氧化鈦(TinO2n-1)中(zhong)存(cun)在(zai)的(de)(de)Ti-Ti二(er)聚體結構(gou)導致Ti-3d電(dian)(dian)子在(zai)實空間的(de)(de)局域化，并在(zai)費米能級附近(jin)引(yin)入平帶電(dian)(dian)子態，從(cong)而增(zeng)強電(dian)(dian)子躍(yue)遷(qian)的(de)(de)聯合(he)態密(mi)度(du)。如圖1所(suo)示，金屬性(xing)λ-Ti3O5在(zai)費米能級附近(jin)較寬的(de)(de)能量范圍(wei)存(cun)在(zai)源(yuan)于Ti-3d軌道的(de)(de)多重平帶電(dian)(dian)子態，使(shi)得其在(zai)全太(tai)(tai)陽光譜(pu)范圍(wei)內呈現出96.4%的(de)(de)吸(xi)光率。

　　圖(tu)1. a，λ-Ti3O5晶體結(jie)構及Ti-Ti二聚體; b，λ-Ti3O5能帶結(jie)構與電(dian)子(zi)態密度； c-e，λ-Ti3O5在不同(tong)波長光照(zhao)下電(dian)子(zi)躍遷示意圖(tu)(c-紫外(wai)，d-可見，e-近(jin)紅(hong)外(wai))； f，Ti4O7、β-Ti3O5和λ-Ti3O5實(shi)測反射光譜

　　利用(yong)第一(yi)性原理(li)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)動力(li)學(xue)模擬(ni)研究發(fa)現(圖2)，λ-Ti3O5最穩定的(de)表(biao)面(mian)上的(de)Ti-Ti二聚體(ti)能夠將最初化(hua)學(xue)吸(xi)附(fu)的(de)部分(fen)(fen)水(shui)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)分(fen)(fen)解(jie)為羥(qian)基(ji)(-OH)和氫(qing)(qing)(H)，且二者分(fen)(fen)別與λ-Ti3O5表(biao)面(mian)Ti原子(zi)(zi)(zi)和O原子(zi)(zi)(zi)結(jie)合，導(dao)致λ-Ti3O5表(biao)面(mian)羥(qian)基(ji)化(hua)；此外，該表(biao)面(mian)特(te)殊的(de)U型槽結(jie)構能夠促使(shi)快(kuai)速(su)的(de)質子(zi)(zi)(zi)交(jiao)換，使(shi)得羥(qian)基(ji)化(hua)表(biao)面(mian)上物理(li)吸(xi)附(fu)的(de)水(shui)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)層中(zhong)易于形(xing)成(cheng)亞穩的(de)H3O*單元，可弱化(hua)含H3O*的(de)水(shui)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)團(tuan)簇與其(qi)周(zhou)圍水(shui)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)之間的(de)氫(qing)(qing)鍵(jian)作用(yong)。結(jie)合實驗(yan)驗(yan)證，從(cong)本(ben)質上揭示(shi)了λ-Ti3O5表(biao)層水(shui)分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)在(zai)光照(zhao)條件下以團(tuan)簇形(xing)式(shi)(shi)蒸發(fa)的(de)機(ji)制，革新了水(shui)以單分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)形(xing)式(shi)(shi)蒸發(fa)的(de)傳統認知。

　　圖2. a，λ-Ti3O5(1-10)表面(mian)的U型槽結構； b-e，水分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)在λ-Ti3O5(1-10)表面(mian)的吸附和分(fen)(fen)解第一(yi)性原(yuan)理分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)動力學模擬； f-g，水分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)在λ-Ti3O5(1-10)表面(mian)分(fen)(fen)解的能(neng)壘計算(suan)(f-表面(mian)吸附1個(ge)水分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)，g-表面(mian)吸附2個(ge)水分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi))； h， λ-Ti3O5(1-10)表面(mian)不同(tong)水層中的氫鍵(jian)長度分(fen)(fen)布

　　基于上述理解，將光熱轉換(huan)材料(liao)λ-Ti3O5與聚乙烯醇(PVA)混合，制作(zuo)出了(le)三維多孔連通結構(gou)的(de)(de)(de)蒸(zheng)發器，在1個太陽光照條(tiao)件下(1 kW m-2)獲(huo)得了(le)高達6.09 kg m-2 h-1的(de)(de)(de)水(shui)蒸(zheng)發速率(lv)，創(chuang)造(zao)了(le)長時間工作(zuo)且無鹽分析(xi)出的(de)(de)(de)太陽能(neng)驅(qu)動(dong)光熱水(shui)蒸(zheng)發速率(lv)的(de)(de)(de)新紀錄(lu)(圖(tu)3a，b)。進一步設計了(le)戶外海水(shui)淡化(hua)和淡水(shui)收集(ji)(ji)裝置，置于東北(bei)大(da)學南湖校區戶外自然光照時的(de)(de)(de)平均(jun)日(ri)收集(ji)(ji)淡水(shui)量達到23 L m-2 day-1(圖(tu)3c-e)，展現出了(le)良好的(de)(de)(de)應用前景。

　　圖3. a，λ-Ti3O5-PVA三維多孔連(lian)通(tong)結構蒸發器的蒸發速率(lv)(lv)； b，不(bu)同光熱轉換材料(liao)蒸發器的蒸發速率(lv)(lv)與(yu)光-氣轉換效率(lv)(lv)比(bi)較；c，戶外海水(shui)(shui)淡化裝置(zhi)； d，太陽光能量(liang)、淡水(shui)(shui)收集速率(lv)(lv)和收集淡水(shui)(shui)總量(liang)隨時間變化；e，日平均光通(tong)量(liang)和淡水(shui)(shui)收集速率(lv)(lv)

　　該工作發現(xian)Ti原子二聚體化引入的(de)多重平(ping)帶(dai)電子態，據此提出了平(ping)帶(dai)光熱(re)轉(zhuan)(zhuan)換材料(liao)的(de)新(xin)概念，研發出了全太陽(yang)光譜(pu)高吸收(shou)、低(di)反(fan)射的(de)λ-Ti3O5光熱(re)轉(zhuan)(zhuan)換材料(liao)；結(jie)合(he)三維多孔連通(tong)結(jie)構(gou)蒸發器設(she)計(ji)，創造了光熱(re)水(shui)蒸發速(su)率的(de)世(shi)界紀錄。研究結(jie)果(guo)為不僅(jin)設(she)計(ji)開發高效光熱(re)轉(zhuan)(zhuan)換材料(liao)提供(gong)(gong)了新(xin)的(de)思路，而且為利用太陽(yang)能驅(qu)動海(hai)水(shui)淡化以(yi)及(ji)工業廢水(shui)節(jie)能化處(chu)理提供(gong)(gong)了新(xin)的(de)策略。

　　東北大(da)學分析(xi)測試中(zhong)心和中(zhong)國科(ke)學院(yuan)金(jin)屬研究(jiu)所(suo)分析(xi)測試中(zhong)心在實(shi)驗(yan)工作中(zhong)提供了幫助。