过程所王丹教授/张锁江院士《AM》：可从各种极端水源中获得标准饮用水的中空多壳纳米复合材料

颗粒在线讯：寻找一种从任何水源（包括海水、受重金属污染的水和含细菌的水）生产饮用水的方法对于解决全球饮用水短缺和土地盐渍化问题极其重要。太阳能蒸发被认为是解决这些问题的最有希望的策略。高效太阳能蒸发的关键是设计一种优化的界面蒸发材料。近年来，已经研究了许多种有希望的候选材料。其中，等离子体材料（基于金、银和铂等金属）具有高浓度的自由载流子。吸收的能量通过电子-声子散射转化为热量，随后通过声子-声子弛豫消散到环境中。碳基材料具有优异的吸光性，随后的电子-电子散射可以实现光热转换。虽然基于这些材料开发和系统设计已经取得的巨大进步，但由于太阳能蒸汽转换效率低和恶劣条件下的环境耐受性，大规模应用仍然受到阻碍。

鉴于此，中国科学院过程工程研究所张锁江院士和王丹研究员开发了一种超稳定的无定形Ta2O5/C纳米复合材料被设计为具有用于太阳能蒸发的中空多壳结构（HoMS）。独特的中空多壳结构实现了高效的光吸收、光热转换、实际水蒸发焓的降低以及高达4.02 kg m-2 h-1的超快蒸发速率。更重要的是，这种复合材料可以从海水、含重金属和细菌的水，甚至是极酸性/碱性或放射性水源中获得世界卫生组织标准的饮用水。值得注意的是，假病毒SC2-P的浓度在蒸发后可以降低6个数量级。这种无定形Ta2O5/C复合材料易于制造、携带、储存和回收，可用于大规模清洁水收集、水中重金属富集，也为土壤修复提供了解决方案。相关工作以“Highly Efficient Photothermal Conversion and Water Transport during Solar Evaporation Enabled by Amorphous Hollow Multishelled Nanocomposites”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

成分和结构表征

作者通过从原子尺度到微/纳米尺度的精确结构设计，制造了由碳和无定形Ta2O5组成的HoMS，用于构建具有间接带隙和高效光热的超级吸收器。HoMS壳之间的空腔通过毛细管泵效应促进水的传输（图1）。HoMS中的纳米孔通过在蒸发过程中将水分子修改为簇来降低实际蒸发焓，从而对水扩散产生限制作用。具有短程有序非晶相的Ta2O5/C HoMS在500 °C下制造60分钟，这可以通过观察到的原子在壳中的随机排列来证明（图2）。电子能量损失谱（EELS）映射显示该样品的壳层由Ta、O和C原子复合而成。此外，碳量可以通过调整退火时间来控制：退火60分钟后18wt%（Ta2O5/C-HoMS-500-60m）和退火180分钟后1wt%（Ta2O5/C-HoMS-500-180m)。研究结果表明，Ta2O5/C-HoMS的亚基是一种复合结构，以无定形Ta2O5为核心，表面有碳基网络涂层。

图1通过无定形Ta2O5/C HoMS高效产生太阳能蒸汽的示意图

图2 Ta2O5/C HoMS的组成和结构分析

光收集和光热转换

Ta2O5/C-HoMS-500-60m实现了高效的光吸收和最低的光致发光(PL)强度。这表明Ta2O5/C-HoMS-500-60m可以将最多的能量传递给声子（热），即作为光子释放的能量最少（图3）。在太阳辐射照射（1 kW m-2）下，无定形Ta2O5/C-HoMS-500-60m粉末可以在短短3分钟内从室温加热到91 °C，而具有低碳含量（Ta2O5-HoMS-500-180m）和晶体结构（Ta2O5-HoMS-800-60m）分别只能达到48和40°C。Ta2O5/C-HoMS-500-60m的温度在水表面施加相同辐射60分钟后最高。非晶Ta2O5/C HoMS产生更强的热量积累，导致内壳具有更高的温度。这种内外温度梯度提供了加速水分蒸发的驱动力，降低了能耗，从而确保了超高的水分蒸发能力。

图3 Ta2O5/C HoMS的太阳能吸收和光热转换

太阳辐照下的高效蒸发、蒸发机制和海水淡化净化能力

无定形样品（Ta2O5/C-HoMS-500-60m）的太阳能蒸发速率高达4.02 kg m-2 ħ-1。在连续补水系统的24小时和30天测试后，蒸发速度几乎没有变化，表明长期稳定性。作者将这种高效的水蒸发归因于光吸收、光热转换和水传输的显着改进。首先，由于能带结构的改变，碳的引入使宽带光吸收成为可能。其次，独特的中空多壳结构有助于捕获光，从而增强光吸收以促进光热转换。此外，由于毛细管泵效应，HoMS中的密闭腔促进了液态水的扩散。Ta2O5/C-HoMS-500-60m在太阳辐射下表现出优异的海水淡化和净化能力。中国渤海水和被重金属、有机物和细菌污染的水分别实现了大约3.96、4.01、3.98和3.94 kg m-2 h-1的高蒸发率。经过24 h测试后，经太阳能淡化净化后可直接收集低盐度、污染可忽略的饮用水，无需盐析。此外，在太阳能净化后收集的水中几乎没有检测到有机污染物、杀虫剂或细菌。这种优异的光蒸汽发生材料可以应用于更恶劣的条件，如极酸性（2 M H2SO4）或碱性（4 M NaOH）水溶液。为了应对COVID-19的全球流行，对被假病毒SC2-P污染的水进行了测试。在蒸发的水中无法直接检测到病毒。将水浓缩100倍后检测到病毒DNA，蒸发后的SARS-CoV-2颗粒终浓度为11.8±1.4 particle mL-1，比原缓冲液低6个数量级。

图4通过HoMS增强水分蒸发

小结：作者制备了无定形Ta2O5/C纳米复合材料并证明了其超高的太阳能蒸发率的原因。首先，HoMS构建块中精确的原子和成分控制实现了在费米能级附近具有丰富能态的间接带隙结构，这增强了非辐射弛豫，促进了光热转换。其次，独特的中空多壳结构有助于捕获光，从而增强光吸收以促进光热转换，并建立热场梯度以提供附加驱动力的快速蒸汽蒸发。由于毛细管泵效应，HoMS中的纳米孔使水分子以较少的能量消耗成簇蒸发。重要的是，这种材料不仅可以从海水和含重金属的水中获得可饮用的水，而且还从极酸性和碱性水、放射性水，甚至被细菌和高传染性病毒污染的水中收集安全的饮用水。