多年来，加拿大国立科学研究院教授马冬玲和团队，一直专注于研究等离子体纳米材料的制备和性能，并积累了大量经验。
近日，马冬玲课题组通过简便绿色的方法，制备出一种等离子体 TiN/半还原石墨烯（TiN/semi-rGO）纳米复合材料，其具有低成本、高亲水性、高化学和热稳定性，可用于连续快速的太阳能水蒸发。
图 | 马冬玲（来源：马冬玲）
与普通碳基光热材料比如氧化石墨烯、石墨烯、炭黑、碳纳米管等相比，二维结构的 semi-rGO 纳米片在增强光吸收能力的同时，表面还保留一定量的亲水基团，有助于太阳能水蒸发中的水分传输。
在无添加任何还原剂的条件下，通过微波水热法即可实现氧化石墨烯的快速部分热还原、以及等离子体 TiN 纳米颗粒和 semi-rGO 纳米片的原位强耦合。
（来源：Advanced Functional Materials）
由等离子体 TiN/semi-rGO 复合材料所制备的吸收器，展现出较强的太阳光吸收能力、低热损失和高光热转换效率，同时表现出优异的亲水性，故有利于水分子的传输和释放。
在太阳光下，通过优化材料组成得到的 TiN/semi-rGO-25%（TiN：25wt%）吸收器，展现出连续且稳定的水蒸发速率（1.76kgm−2h−1）、以及高达 99.1% 的光热转化效率。
马冬玲表示：“该性能优于大多数已报道的涉及昂贵等离子体金属材料。更重要的是，这种等离子体 TiN/semi-rGO 吸收器可以从海水或废水中稳定地生产出高质量的淡水，这凸显了其在实际应用中的潜力。”
近日，相关论文以《具有超 99% 太阳能水蒸发效率的稳定、低成本TiN基等离子体纳米复合材料》（Stable, Cost‐Effective TiN‐Based Plasmonic Nanocomposites with over 99% Solar Steam Generation Efficiency）为题发在 Advanced Functional Materials 上 [1]，王勇博士是第一作者，马冬玲担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）
概括来说，这种由廉价等离子体材料制成的高效蒸汽发生器，是太阳能转换领域的一项重要进展。同时，该项工作证明等离子体 TiN/semi-rGO 是一种具有前景的光热材料，可用于太阳能驱动海水淡化或用污水生产淡水。
作为具有成本优势的光热转换材料，它也具备用于其他光热应用场景的潜力，例如建筑物的太阳能供暖、太阳能热水器、光热催化等。
（来源：Advanced Functional Materials）
01 备受关注的等离子体纳米材料
据介绍，地球表面的 70% 被水覆盖，然而只有不到 3% 是淡水资源。自古以来，淡水就是人类生活的基本必需品之一。
但在现实生活中，水资源短缺已成为全世界面临的共同问题。人口增长、城市化、气候变化、环境污染和能源危机等正在加剧淡水短缺问题。
目前，人类已开发并实现了各种淡水生产技术，包括电渗析、热蒸馏、反渗透、膜蒸馏、太阳能水蒸发等。
其中，太阳能资源具有绿色清洁、丰富可持续的优势，这让太阳能水蒸发技术得到了广泛关注。该技术通过光热材料收集太阳能资源，并将太阳能转化成热能，进而对海水或污水进行蒸发净化。
光热材料的结构、太阳光吸收能力、光热转换效率、亲水性等性质将直接影响太阳能水蒸发的性能。因此，开发制备具有优异性能的光热材料具有重要意义。
为此，人们探究了可用于太阳能水蒸发的诸多光热材料，例如碳基材料、半导体材料、金属材料、等离子体纳米材料、有机聚合物等。
其中，等离子体纳米材料凭借独特的表面等离子体共振效应，成为太阳能光热转换领域备受关注的一种材料。
金（Au）、银（Ag）和铜（Cu）的纳米颗粒，是典型的等离子体材料，它们在可见光区域具有显著的光吸收能力。这些等离子体材料在吸收太阳光之后，会通过激发的电子-声子耦合和声子-声子耦合，将其表面温度快速升高数十摄氏度。
因此，当把这些等离子体材料作为光热材料时，可以大大提升太阳能水蒸发的效率。然而，这些金属纳米材料的高成本、窄带光吸收能力、以及低稳定性等缺点，严重限制了其实用性。
近年来，作为一种颇具前景的非金属等离子体材料，氮化钛（TiN）引起了学界极大的研究兴趣。
TiN 的宽带光吸收、低成本以及高稳定性，使其成为出色的等离子体光热材料。事实上，研究人员通过理论计算发现，TiN 纳米材料是用于宽带光热应用的最佳等离子体耐火材料，甚至比更昂贵的贵金属 Au 或 Ag 还要出色。
此前，人们已经开发出一系列具有不同结构设计的等离子体 TiN 基光热吸收器，以用于等离子体材料驱动的太阳能水蒸发。
然而，通过简单的结构设计进一步提高 TiN 基吸收器的光热性能仍具有挑战性。在合理结构设计和系统优化的基础上，必须同时考虑太阳光吸收能力、水传输能力以及热管理等因素。基于此，马冬玲团队展开了本次研究。
（来源：Advanced Functional Materials）
02 具有优异光热性能的 TiN 材料
此前，该课题组曾对等离子体 Au 和 Ag 纳米材料的光催化性能，进行过深入的研究。
而在当下，制备低成本、高稳定性及高性能的纳米材料，一直是学界努力追求的目标。
一直以来，该团队也在努力发展成本更低、稳定性更高的等离子体纳米材料。不久前，课题组还制备了一种铜基等离子体材料，并对其进行了光热性能研究。
通过调研最新的等离子体材料，他们发现等离子体 TiN 材料非常具有吸引力，因此决定购买商业产品并对其进行研究。
借助实验该团队发现，TiN 具有优异的光热性能。然而，由于 TiN 纳米颗粒在水中具有良好的分散性，因此它并不适合直接用于太阳能水蒸发应用里。
借助查阅文献，课题组发现二维石墨烯不仅是优异的光热材料，而且可以充当载体材料。因此基于实验室现有的条件，他们确定了复合材料合成的最初方案。
在还原反应结束之后，TiN 和还原后的石墨烯成功复合在一起，而且表现出较好的水分散性。通过针对复合材料的一系列基础测试表征，研究组对其结构和化学性质有了充分的了解，然后发现还原后的石墨烯为半还原态，这引起了他们极大的兴趣。
另外，为了更深入地研究复合材料的光热性质，该团队通过不断讨论并设计光热性质实验测试方案，对复合材料的光热性质进行了充分研究。
最后，为了进一步证实复合材料的实用性，课题组通过优化复合材料的组成，并对其进行了太阳能水蒸发应用的性能测试，借此得到了具备最优复合比例的材料。
并且，在海水淡化和污水处理实验中，所制备的最优复合材料均展现出较高的净化效率和稳定性。
（来源：Advanced Functional Materials）
研究中，一开始使用的太阳能水蒸发装置是简易的自制版，论文一作王勇通过调研和参考相关文献，并就有关问题请教领域内比较权威的团队，综合这些并结合实验室条件，对装置进行了重新设计。
尽管初版装置采用了最常见的设计，但是依旧存在很多问题，而这导致实验数据不够准确，并且装置的重复使用性较差。通过不断的优化，王勇最终制备了更加科学、更加实用性的水蒸发装置。
另外，在材料表征方面，要想深入了解材料的性质，就得使用专业仪器对材料进行表征。但在当时由于疫情的影响，他们在周边大学和科研院所均未找到合适且能够正常运行的仪器。
“但我们却在国内很快找到了合适仪器并进行了材料表征，由此也感叹国内不仅科研条件非常优越，而且科研人员的工作效率非常高，”马冬玲说。
基于本次研究，也让该团队对等离子体 TiN 基光热材料的光热性能有了一定了解，后续他们将重点发展低成本、高稳定性、且容易制备的等离子体 TiN 基光热材料。
具体计划主要集中在以下几方面：
一是寻找更廉价、更易制的碳基材料作为载体材料，并且天然的生物碳基材料具有许多优势，例如高太阳光吸收能力、低导热性、低成本、高稳定性、质量轻、多孔结构等；
二是继续探索太阳能水蒸发应用的影响因素，以及探索如何更加准确地对该应用的性能进行评价。尽管这一领域发展比较迅速，然而并没有统一的评价计算标准，因此需要进一步完善；
三是这款等离子体光热材料可以将清洁丰富的太阳能有效地转化成热能，故具有非常广泛的应用前景，因此可进一步拓展这种光热材料在其他领域的用途。
参考资料：
1.Y Wang, X Liu, Q Zhang, C Wang, S Huang, Y Liu, T Yu…- Advanced Functional Materials, 2023
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