AFM | 四川大学吉俊懿：结构工程化仿生纳米阵列设计，助力清洁太阳能综合利用

共同第一作者：杜禹平（2022级硕士研究生）、刘朋（2021级博士研究生）

通讯作者：吉俊懿教授（四川大学）

DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202309830

研究成果

近日，四川大学吉俊懿与成都理工大学李小可课题组合作，在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》（IF=19.0，中科院1区TOP）发表了题为“Nature-Inspired Structure-Engineered TiN/TiO2 Nanotubes Array Toward Solar Desalination Synergy with Photothermal-Enhanced Degradation and Thermoelectric Generation”的研究论文。研究受耐盐碱红树林的启发，精心构筑了仿生纳米阵列，通过表面等离激元效应（LSPR）增强的多级反射结构来增强材料太阳辐射吸收，并结合TiO2空心管的毛细作用及马兰戈尼效应增强材料传质效率。通过系统详实的FDTD及COMSOL有限元分析，解耦了性能增强的可能实现机理。经过优化的材料表现出极佳的太阳能驱动水-电联产性能，在进行海水淡化、污染物降解的同时高效输出电能。该研究为微纳阵列材料的表界面设计提供了新的思路。

研究背景

太阳能驱动的界面光热技术（SIET）在海水淡化、废水处理和热发电等方面展现出广阔的前景，为解决全球淡水匮乏危机带来了希望。然而，在该领域的材料设计大多集中在宏观尺度以及微米尺度，缺乏创新的纳米结构设计，阻碍了能源利用效率的进一步提高。对于在碳布等柔性纤维基底上生长的纳米阵列，许多其他方向的研究都集中在分层微纳结构设计上。基于此，推测合理的纳米分层结构设计可以有效提高太阳能海水淡化系统中蒸发器的比表面积、光吸收能力和热利用效率。然而，探索这些提升的合理机制至关重要。遗憾的是，大多数研究仅从实验结果来说明其提升作用，缺乏对可能机制的探索。

基于此，受海水中的耐盐碱红树林启发，开发了一种结构工程化的TiN/TiO2空心纳米管阵列，模仿其“根-叶”耦合结构，从而实现协同传水和光热转换能力。首次通过系统性的FDTD和COMSOL有限元分析，从异质结构组成和分层多级反射结构层次上揭示了纳米阵列材料光吸收能力增强的关键机制，以此指导材料的合理设计和合成。研究结果清楚地阐明了引入TiN纳米粒子、TiN与TiO2的协同作用以及多级反射结构的增强机理均有利于实现高效的光热转换能力。然后，基于“叶”的强大光热转换能力和“根”的快速水分运输能力，TiN/TiO2@CC-3在1个太阳光照射下表现出快速的蒸发速率（2.02 kg m-2 h-1）和卓越的蒸发效率（92.18%）。此外，为了进一步利用材料优秀的光热转换能力，还评估了光热增强型催化降解以及热电转换能力，以扩大其应用范围。与传统的水处理技术相比，构筑了一种新型太阳能综合利用装置，其具有独特的优势，无需额外的能源投入即可实现污染物去除和清洁水电联产，可根据各种要求实现不同的应用场景。

结果讨论

图 1. 材料的各项表征

图 2. (a) TiN/TiO2@CC-1, (b) TiN/TiO2@CC-2 和 (c) TiN/TiO2@CC-3 电场分布图中TiN吸收峰（390 纳米）和 TiO2吸收峰（分别为1090、1150和1210纳米）的俯视图和侧视图。

图 3. (a)实验结果的紫外-可见-近红外吸收光谱；(b)制备的复合材料的FDTD仿真结果；(c)增强光吸收机理示意图（多级反射结构和 LSPR 效应）；(d)光吸收的二维云图；(e)几个特定入射角的紫外-可见-近红外吸收光谱对比

图 4. 太阳能驱动的海水淡化性能及对比

图 5. 材料的光热转化能力及热局域能力

图 6. 材料的循环性能及耐用性

图 7. 材料的光热增强型光催化性能

图 8. 材料的热电转化性能

图 9. 户外水-电联产装置性能

通讯录作者介绍

吉俊懿，四川大学教授，博士生导师，四川省学术与技术带头人，四川省杰出青年科学基金获得者。主要从事纳米复合电极表界面微纳结构设计与传质强化领域的研究。以第一作者或通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Appl. Catal. B等权威国际期刊共计发表发表SCI论文80余篇，SCI正面引用4800余次，5篇文章被选为ESI TOP 1%高被引论文，H因子33。邮箱：junyiji@scu.edu.cn

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