中國科學(xué)家新成果！這種材料是否真能應(yīng)對淡水資源短缺危機(jī)？

水是生命之源，是世間萬物賴以生存的基礎(chǔ)。雖然在我們生活的地球上，水的覆蓋度超過了 70%，但是淡水資源卻不足 3%。這些淡水的分布又極其不均衡，湖泊、河流、地下、南極冰層中都有它們的存在，可供人類食用的淡水僅剩不到 1%。

圖源：unsplash.com 攝影師：David Becker

此外，受環(huán)境污染、人口增長等一系列問題的影響，全球淡水資源的短缺問題未來將更加嚴(yán)峻。因此，解決淡水資源匱乏的問題是重中之重。

2023 年 9 月 13 日，我國科學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于光熱轉(zhuǎn)換新材料的文章，這種材料的問世有望為人類帶來源源不斷的淡水資源，保障淡水的安全充足供給！

圖片來源：《自然》雜志。

新材料的制備及原理

太陽能是一種可再生能源，被廣泛利用于加熱和儲能。太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)技術(shù)被提出已將近十年，即太陽能被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，促進(jìn)水分子蒸發(fā)為水蒸氣，水蒸氣被收集后用于后續(xù)處理，此項(xiàng)技術(shù)在海水淡化生產(chǎn)清潔淡水領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，利用太陽能可以緩解化石能源的消耗及帶來的一系列環(huán)境污染等問題。

此項(xiàng)技術(shù)的核心是如何提高太陽能熱能的轉(zhuǎn)換效率。我國科學(xué)家新研制的高效率的光熱轉(zhuǎn)換新材料為這項(xiàng)技術(shù)的廣泛使用帶來了希望！

科學(xué)家們從太陽光與物質(zhì)相互作用使其產(chǎn)熱的本質(zhì)出發(fā)，利用化學(xué)、物理、計(jì)算等相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，亞氧化鈦（TinO2n-1）中存在著的 Ti-Ti 二聚體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會使 Ti 原子核外電子結(jié)構(gòu)的3d層電子運(yùn)動分布范圍受限，發(fā)生電子的實(shí)空間局域化，能夠在費(fèi)米能級附近引入平帶電子態(tài)，從而導(dǎo)致電子躍遷的聯(lián)合態(tài)密度增強(qiáng)。

基于以上的原理，通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，作為亞氧化鈦類的一種物質(zhì)，λ-Ti3O5 對太陽光的吸光率可超過 95%。

反射光譜和電子結(jié)構(gòu)。圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

科學(xué)家們進(jìn)一步利用 λ-Ti3O5 與聚乙烯醇材料加工制作蒸發(fā)器，為了提高水蒸發(fā)的效率，將蒸發(fā)器設(shè)計(jì)成三維多孔連通結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在太陽光照射的條件下（1 kW m-2），通過此設(shè)備，每小時(shí)水蒸發(fā)的量能高達(dá) 6.09 kg m-2，是目前太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)技術(shù)進(jìn)行水蒸發(fā)的最快水平?？茖W(xué)家進(jìn)一步將該設(shè)備用于海水淡化實(shí)驗(yàn)中，每天收集的淡水量可以達(dá)到 23 L m-2。

可見，若將該設(shè)備投入到海水淡化領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的淡水制備，會極大地解決淡水資源短缺的問題，也能為污水廢水的凈化處理帶來新的思路。

三維多孔連通結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器工作示意圖（a.戶外海水淡化裝置；b.太陽光能量、淡水收集速率和收集淡水總量隨時(shí)間變化；c.溫度和濕度隨時(shí)間的變化；d.日平均光通量和淡水收集速率）。圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

關(guān)于淡水保護(hù)，我們能做什么

新材料的發(fā)現(xiàn)讓我們不再恐懼未來沒有水喝，但是，我們也要節(jié)約用水，提升保護(hù)淡水資源的意識。

首先，政府已經(jīng)陸續(xù)出臺完善淡水資源保護(hù)相關(guān)的法律法規(guī)，通過法律來約束，提醒每個(gè)人保護(hù)淡水的重要性。加大淡水保護(hù)相關(guān)政策的宣傳力度，提升大家節(jié)約用水的意識。同時(shí)，優(yōu)化淡水在農(nóng)業(yè)、工業(yè)中的使用，提高淡水的利用率。

在生活中，我們每個(gè)人應(yīng)該注意節(jié)約用水，同時(shí)，注意不要亂丟棄廢棄物、化學(xué)品、藥品等到下水道中，這樣容易造成淡水的污染。

讓我們一起努力，共同保護(hù)淡水資源，合理用水，不要讓地球上最后一滴水成為我們的眼淚！

參考文獻(xiàn)

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

[2] 李雪琴.新型太陽能集熱器及其在海水淡化中的應(yīng)用[J].通用機(jī)械, 2012.DOI:CNKI:SUN:TYJS.0.2012-03-037.

[3] 解利昕,李憑力,王世昌.海水淡化技術(shù)現(xiàn)狀及各種淡化方法評述[J].化工進(jìn)展, 2003, 22(10):4.DOI:10.3321/j.issn:1000-6613.2003.10.011.

[4] 陸柱.節(jié)約用水與水資源再生回用技術(shù)的展望[J].凈水技術(shù), 2002(S1):5.DOI:CNKI:SUN:ZSJS.0.2002-S1-013.

策劃制作

出品｜科普中國

監(jiān)制｜中國科普博覽

作者丨石霧遙 生物學(xué)博士

責(zé)編丨一諾