研究利用非晶中空多殼層納米材料實現高效光熱水凈化

　　僅利用太陽能即可實現高效水凈化，光熱蒸水被視為一種獲得飲用水的綠色新途徑，其核心為光熱界面材料。近日，中國科學院過程工程研究所開發出一種具有中空多殼層結構（Hollow Multishelled Structures，HoMSs）的非晶納米復合物，表現出優異的光熱蒸水性能。研究表明，該材料可以有效提升光熱轉換以及水輸運過程，具有高效、高穩定性、高環境耐受力等優點。相關研究成果表在《先進材料》上。

　　淡水資源緊缺是人類面臨的挑戰，科學家期待尋求一種無需耗電、不受地域限制的材料，以實現高效海水淡化及污水凈化，光熱界面蒸水日漸成為學術界的研究熱點。半導體材料由于穩定性高，選材范圍廣等優勢，頗具應用潛力。

　　基于前期對HoMS增強物質傳遞與能量轉化的理解，過程工程所研究員王丹團隊設計了一種特殊的HoMSs以強化光熱蒸水過程。利用該團隊發展的次序模板法，研究人員制備了非晶氧化鉭/碳復合HoMS材料，并從材料組成、結構出發探索其對光熱蒸水行為的增強機制。研究發現，非晶化設計和碳復合可以有效促進太陽能吸收，提升光熱轉換效率和界面熱傳導；HoMS納微結構設計，強化了太陽能捕獲，并提供了毛細作用和內建熱場，從而加速水的輸運。同時，HoMS的孔道結構削弱了孔道表面附近水分子之間的氫鍵，降低了水的實際蒸發焓，實現了4.02 kg/m2h的光熱蒸水速率，并可穩定運行30天以上，速率基本保持不變。

　　實驗證實，在海水、含重金屬離子污水、含病毒水源、強酸強堿溶液等苛刻條件下，該HoMS材料仍可保持高蒸水速率及穩定性。經冷凝收集的清潔水，已達到我國與世界衛生組織的飲用水標準。目前，該研究團隊正在制備小型便攜式凈水設備及海水淡化樣機，以滿足相關場景下的應用需求。

　　研究工作得到國家自然科學基金的支持。

　　論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107400

非晶Ta2O5/C-HoMSs高效光熱蒸水示意圖