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9月13日，Nature在線發表了東北大學左良教授團隊、秦高梧教授團隊與中國科學院金屬研究所陳星秋研究員團隊的合作研究結果，論文題目為“Flatband λ-Ti3O5 towards extraordinary solar steam generation”。該論文第一作者為東北大學材料科學與工程學院/材料各向異性與織構教育部重點實驗室楊波副教授，通訊作者為左良教授。
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受人口增長、環境污染以及氣候變化等因素的影響，淡水資源短缺問題日益嚴峻。根據全球水資源經濟委員會最新研究報告，到2030年全球淡水供應短缺將達到40%。鑒于70%以上的地球表面被海洋覆蓋，海水淡化無疑是破解這一急迫問題的最有效策略。近年來，科研人員致力探索基于光熱轉換效應的太陽能驅動界面水蒸發技術，其在減輕化石能源消耗與環境污染壓力、保障清潔水資源安全供給方面有著廣闊的應用前景。
獲取具有寬吸收譜、高吸收率的光熱轉換材料，是將太陽能高效轉換為熱能需要解決的首要問題。該研究從光與物質相互作用的本質出發，通過第一性原理計算和實驗研究發現，亞氧化鈦（TinO2n-1）中存在的Ti-Ti二聚體結構導致Ti-3d電子在實空間的局域化，并在費米能級附近引入平帶電子態，從而增強電子躍遷的聯合態密度。如圖1所示，金屬性λ-Ti3O5在費米能級附近較寬的能量范圍存在源于Ti-3d軌道的多重平帶電子態，使得其在全太陽光譜范圍內呈現出96.4%的吸光率。
圖1. a，λ-Ti3O5晶體結構及Ti-Ti二聚體；b，λ-Ti3O5能帶結構與電子態密度；c-e，λ-Ti3O5在不同波長光照下電子躍遷示意圖（c-紫外，d-可見，e-近紅外）；f，Ti4O7、β-Ti3O5和λ-Ti3O5實測反射光譜
利用第一性原理分子動力學模擬研究發現（圖2），λ-Ti3O5最穩定的表面上的Ti-Ti二聚體能夠將最初化學吸附的部分水分子分解為羥基（-OH）和氫（H），且二者分別與λ-Ti3O5表面Ti原子和O原子結合，導致λ-Ti3O5表面羥基化；此外，該表面特殊的U型槽結構能夠促使快速的質子交換，使得羥基化表面上物理吸附的水分子層中易于形成亞穩的H3O*單元，可弱化含H3O*的水分子團簇與其周圍水分子之間的氫鍵作用。結合實驗驗證，從本質上揭示了λ-Ti3O5表層水分子在光照條件下以團簇形式蒸發的機制，革新了水以單分子形式蒸發的傳統認知。
圖2. a，λ-Ti3O5（1-10）表面的U型槽結構；b-e，水分子在λ-Ti3O5（1-10）表面的吸附和分解第一性原理分子動力學模擬；f-g，水分子在λ-Ti3O5（1-10）表面分解的能壘計算（f-表面吸附1個水分子，g-表面吸附2個水分子）；h， λ-Ti3O5（1-10）表面不同水層中的氫鍵長度分布
基于上述理解，將光熱轉換材料λ-Ti3O5與聚乙烯醇（PVA）混合，制作出了三維多孔連通結構的蒸發器，在1個太陽光照條件下（1 kW m-2）獲得了高達6.09 kg m-2 h-1的水蒸發速率，創造了長時間工作且無鹽分析出的太陽能驅動光熱水蒸發速率的新紀錄（圖3a，b）。進一步設計了戶外海水淡化和淡水收集裝置，置于東北大學南湖校區戶外自然光照時的平均日收集淡水量達到23 L m-2 day-1（圖3c-e），展現出了良好的應用前景。
圖3. a，λ-Ti3O5-PVA三維多孔連通結構蒸發器的蒸發速率；b，不同光熱轉換材料蒸發器的蒸發速率與光-氣轉換效率比較；c，戶外海水淡化裝置；d，太陽光能量、淡水收集速率和收集淡水總量隨時間變化；e，日平均光通量和淡水收集速率
該工作發現Ti原子二聚體化引入的多重平帶電子態，據此提出了平帶光熱轉換材料的新概念，研發出了全太陽光譜高吸收、低反射的λ-Ti3O5光熱轉換材料；結合三維多孔連通結構蒸發器設計，創造了光熱水蒸發速率的世界紀錄。研究結果為不僅設計開發高效光熱轉換材料提供了新的思路，而且為利用太陽能驅動海水淡化以及工業廢水節能化處理提供了新的策略。