界面电荷转移丰富全光谱吸光体以及高效太阳能海水淡化

来源：X一MOL资讯

太阳能水蒸发（Solar Water Evaporation）是一种利用太阳光驱动光吸收体进行局部加热形成非沸腾蒸发效应的新兴技术，有望被广泛应用于海水淡化、污水处理、卤水加工以及离子或元素收集。因此，发展高效的太阳能水蒸发材料体系成为了当前的研究热点。高效的太阳能水蒸发系统主要需要具备高的太阳能捕获、优良的水运输以及有效的热能管理。在这些因素中，能够高效率吸收太阳光以及有效转换为热能的吸光体是核心部件，因此在过去几年时间被大力发展和设计。当前的太阳能吸光体材料主要包括碳材料(石墨烯、碳纳米管以及碳粉体材料等)、等离子体纳米材料、半导体材料以及有机材料等。有机材料已经被证实是一种高效的光热转换材料，但其自身的带隙限制该类材料往往具有较窄的光学吸收光谱，不足以捕获全光谱的太阳能，因此限制了他们在太阳能水蒸发领域的应用。电荷转移复合物（CTC）利用电子给体（D）和电子受体（A）材料之间有效电荷转移机制可产生光谱红移并达到近红外区域光电性质，同时有潜力进一步拓宽其太阳光捕获性能，但全光谱性能的材料体系仍然是个挑战。

图1. 电荷转移共晶支架应用于太阳能水蒸发的示意图。
近日，香港城市大学化学系的李振声教授与李盛亮博士报道了一种新型的全光谱吸收的电荷转移复合物共晶并实现了高效的太阳能海水淡化和水净化。研究人员利用溶液结晶法制备一系列具有宽谱吸收的电荷转移复合物共晶，通过D/A分子调控获得了最大吸收边界超过2500 nm 宽吸收的TQC。该TQC材料展示了优良的太阳光驱动的光热转换效应。进一步将TQC掺杂进入多孔支架制备一体化的多孔漂浮式水蒸发器件(CTCC-S)。在1个太阳照射下，该TQC水蒸发器件取得了高达1.67 kg m-2 h-1的水蒸发速率，且具有90%太阳能-水蒸发转换效率。利用该太阳能水蒸发器件，取得了高效的海水淡化和多重污水纯化，且水净化效率高达99.8%。该研究为太阳能水蒸发技术提供了一种新型的吸光体，并取得了高效的海水淡化和污水纯化效率，为后续的技术开发奠定了基础。

图2. 共晶的结构及其光学性能。A) CTC共晶制备流程图。单体与CTC共晶的能级图(B)，颜色和性状(C)，以及固体吸收光谱(D)。E) 粉末XRD谱。F) 三种CTC材料在太阳光照射下的热成像图。

研究人员首先对共晶的形成、光学性质及光物理特性进行了相应表征。利用DFT模拟了共晶及其相应单分子晶体的能级。计算结果表明所形成的三种共晶DTC、TBC、TQC都具有很小的能隙，分别为1.43、1.3和0.44 eV，这与吸收光谱的实验结果DTC: 903 nm、 TBC: 1190 nm、TQC: over 2500 nm 相吻合，共晶相较于单分子晶体吸收光谱的红移也表明了D/A分子间的电荷转移形成。进一步地，研究人员对共晶进行了光热转换能力探究，结果显示在太阳光模拟器的照射下，TQC 由于其更好的光学吸收性能表现出优良的光热转换效果。

图3. 共晶支架在水蒸发中的实际应用。A) 太阳能水蒸发器件与系统工作示意图。水蒸发器件应用于染料 (B)、微生物(C)以及重金属离子污染(D)的水净化验证。E) 太阳能水蒸发器件应用于海水淡化效果。
研究人员进一步将TQC掺杂于多孔的PDMS支架内制备可漂浮的太阳能水蒸发器件(CTCC-S)。其结果表明，在太阳光模拟器下，CTCC-S 可以有效去除水中的染料，细菌，以及重金属离子并达到WHO饮用水级别的标准。同时对海水脱盐也进行了研究，并在户外实景应用获得了有效的海水淡化性能。
相关研究成果近期发表在ACS Energy Letters 上，文章的第一作者是香港城市大学博士研究生田爽。