研究利用非晶中空多壳层纳米材料实现高效光热水净化

　　仅利用太阳能即可实现高效水净化，光热蒸水被视为一种获得饮用水的绿色新途径，其核心为光热界面材料。近日，中国科学院过程工程研究所开发出一种具有中空多壳层结构（Hollow Multishelled Structures，HoMSs）的非晶纳米复合物，表现出优异的光热蒸水性能。研究表明，该材料可以有效提升光热转换以及水输运过程，具有高效、高稳定性、高环境耐受力等优点。相关研究成果表在《先进材料》上。

　　淡水资源紧缺是人类面临的挑战，科学家期待寻求一种无需耗电、不受地域限制的材料，以实现高效海水淡化及污水净化，光热界面蒸水日渐成为学术界的研究热点。半导体材料由于稳定性高，选材范围广等优势，颇具应用潜力。

　　基于前期对HoMS增强物质传递与能量转化的理解，过程工程所研究员王丹团队设计了一种特殊的HoMSs以强化光热蒸水过程。利用该团队发展的次序模板法，研究人员制备了非晶氧化钽/碳复合HoMS材料，并从材料组成、结构出发探索其对光热蒸水行为的增强机制。研究发现，非晶化设计和碳复合可以有效促进太阳能吸收，提升光热转换效率和界面热传导；HoMS纳微结构设计，强化了太阳能捕获，并提供了毛细作用和内建热场，从而加速水的输运。同时，HoMS的孔道结构削弱了孔道表面附近水分子之间的氢键，降低了水的实际蒸发焓，实现了4.02 kg/m2h的光热蒸水速率，并可稳定运行30天以上，速率基本保持不变。

　　实验证实，在海水、含重金属离子污水、含病毒水源、强酸强碱溶液等苛刻条件下，该HoMS材料仍可保持高蒸水速率及稳定性。经冷凝收集的清洁水，已达到我国与世界卫生组织的饮用水标准。目前，该研究团队正在制备小型便携式净水设备及海水淡化样机，以满足相关场景下的应用需求。

　　研究工作得到国家自然科学基金的支持。

　　论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107400

非晶Ta2O5/C-HoMSs高效光热蒸水示意图