材料百态

水是生命之源，是世间万物赖以生存的基础。虽然在我们生活的地球上，水的覆盖度超过了 70%，但是淡水资源却不足 3%。这些淡水的分布又极其不均衡，湖泊、河流、地下、南极冰层中都有它们的存在，可供人类食用的淡水仅剩不到 1%。

图源：unsplash.com 摄影师：David Becker

此外，受环境污染、人口增长等一系列问题的影响，全球淡水资源的短缺问题未来将更加严峻。因此，解决淡水资源匮乏的问题是重中之重。

2023 年 9 月 13 日，我国科学家在《自然》杂志上发表了一项关于光热转换新材料的文章，这种材料的问世有望为人类带来源源不断的淡水资源，保障淡水的安全充足供给！

图片来源：《自然》杂志。

新材料的制备及原理

太阳能是一种可再生能源，被广泛利用于加热和储能。太阳能驱动界面水蒸发技术被提出已将近十年，即太阳能被吸收并转化为热能，促进水分子蒸发为水蒸气，水蒸气被收集后用于后续处理，此项技术在海水淡化生产清洁淡水领域有广阔的应用前景，利用太阳能可以缓解化石能源的消耗及带来的一系列环境污染等问题。

此项技术的核心是如何提高太阳能热能的转换效率。我国科学家新研制的高效率的光热转换新材料为这项技术的广泛使用带来了希望！

科学家们从太阳光与物质相互作用使其产热的本质出发，利用化学、物理、计算等相关实验发现，亚氧化钛（TinO2n-1）中存在着的 Ti-Ti 二聚体结构，这种结构会使 Ti 原子核外电子结构的3d层电子运动分布范围受限，发生电子的实空间局域化，能够在费米能级附近引入平带电子态，从而导致电子跃迁的联合态密度增强。

基于以上的原理，通过进一步实验发现，作为亚氧化钛类的一种物质，λ-Ti3O5 对太阳光的吸光率可超过 95%。

反射光谱和电子结构。图片来源：参考文献[1]

科学家们进一步利用 λ-Ti3O5 与聚乙烯醇材料加工制作蒸发器，为了提高水蒸发的效率，将蒸发器设计成三维多孔连通结构。实验发现，在太阳光照射的条件下（1 kW m-2），通过此设备，每小时水蒸发的量能高达 6.09 kg m-2，是目前太阳能驱动界面水蒸发技术进行水蒸发的最快水平。科学家进一步将该设备用于海水淡化实验中，每天收集的淡水量可以达到 23 L m-2。

可见，若将该设备投入到海水淡化领域，可以实现规模化的淡水制备，会极大地解决淡水资源短缺的问题，也能为污水废水的净化处理带来新的思路。

三维多孔连通结构蒸发器工作示意图（a.户外海水淡化装置；b.太阳光能量、淡水收集速率和收集淡水总量随时间变化；c.温度和湿度随时间的变化；d.日平均光通量和淡水收集速率）。图片来源：参考文献[1]

关于淡水保护，我们能做什么

新材料的发现让我们不再恐惧未来没有水喝，但是，我们也要节约用水，提升保护淡水资源的意识。

首先，政府已经陆续出台完善淡水资源保护相关的法律法规，通过法律来约束，提醒每个人保护淡水的重要性。加大淡水保护相关政策的宣传力度，提升大家节约用水的意识。同时，优化淡水在农业、工业中的使用，提高淡水的利用率。

在生活中，我们每个人应该注意节约用水，同时，注意不要乱丢弃废弃物、化学品、药品等到下水道中，这样容易造成淡水的污染。

让我们一起努力，共同保护淡水资源，合理用水，不要让地球上最后一滴水成为我们的眼泪！

参考文献

[1] Yang, B., Zhang, Z., Liu, P. et al. Flatband λ-Ti3O5 towards extraordinary solar steam generation. Nature (2023).

[2] 李雪琴.新型太阳能集热器及其在海水淡化中的应用[J].通用机械, 2012.DOI:CNKI:SUN:TYJS.0.2012-03-037.

[3] 解利昕,李凭力,王世昌.海水淡化技术现状及各种淡化方法评述[J].化工进展, 2003, 22(10):4.DOI:10.3321/j.issn:1000-6613.2003.10.011.

[4] 陆柱.节约用水与水资源再生回用技术的展望[J].净水技术, 2002(S1):5.DOI:CNKI:SUN:ZSJS.0.2002-S1-013.

策划制作

出品｜科普中国

监制｜中国科普博览

作者丨石雾遥 生物学博士

责编丨一诺

【我们尊重原创，也注重分享。版权原作者所有，如有侵犯您的权益请及时联系，我们将第一时间删除。分享内容不代表本网观点，仅供参考。】