加拿大国立科学研究院马冬玲教授/王勇博士生《AFM》: 稳定且低成本的氮化钛（TiN）基等离子体光热复合材料

随着工业的快速发展和全球人口的膨胀，淡水资源短缺已成为全世界面临的共同问题。由于太阳能丰富且可持续，太阳能水蒸发技术被认为是利用海水淡化和废水净化技术生产淡水的最经济有效的方法。目前，众多类型的光热材料已被开发探索。其中，等离子体纳米材料由于其独特的局域表面等离子体共振（LSPR）而受到广泛的关注。当等离子体纳米材料吸收入射光与其载流子的集体振荡频率相匹配时，载流子将被激发并发生LSPR。特别是对于金属纳米颗粒，激发的电子-声子耦合和随后的声子-声子耦合可导致其表面温度快速升高数十摄氏度。从而导致产生的热量传递给周围的介质并将其加热。等离子体纳米材料，例如金、银、铜，由于在可见光区域具有LSPR效应而展现出显著提升的太阳能利用效率。然而，高成本，较窄的光吸收范围和/或稳定性差极大地限制了它们的实际应用。

近日，加拿大国立科学研究院（INRS）马冬玲教授团队的王勇博士生设计并制备了一种稳定且低成本的TiN基等离子体光热复合材料用于太阳能水蒸发。该TiN基等离子体光热复合材料由低成本且稳定的非金属TiN等离子体纳米颗粒和二维亲水性的半还原石墨烯（semi-rGO）组成。TiN由于其宽带吸收、低成本、低毒性以及高化学和热稳定性，作为一种有前途的等离子体材料引起了人们极大的兴趣。此外，semi-rGO不仅具有强的光吸收性，而且亲水基团较多，这有利于太阳能水蒸发。由于该光热材料所制备的TiN/semi-rGO-25%最优吸收器具有增强的太阳光吸收、低热量损失、高光热转化效率及优异的亲水性，在太阳能水蒸发中展现出高的水蒸发速率（1.76 kg m−2 h−1）和太阳能光热转换效率（99.1%），并且优于大多数涉及昂贵的等离子体材料的太阳能水蒸发系统。该工作以题为“Stable, Cost-Effective TiN-Based Plasmonic Nanocomposites with over 99% Solar Steam Generation Efficiency”的文章发表于Advanced Functional Materials上。

在无需添加任何还原剂的情况下，通过绿色的微波水热方法将氧化石墨烯（GO）快速还原为semi-rGO，并且将等离子体TiN纳米颗粒和semi-rGO进行有效的复合。

图1. TiN/semi-rGO吸收器的制备

TiN/semi-RGO复合材料具有粗糙且褶皱的形貌，表征证实了等离子体TiN纳米颗粒与semi-rGO的成功复合。

图2. （a）semi-rGO和（b-d）TiN/semi-rGO复合材料的形貌

TiN/semi-rGO-25%复合材料展现了增强的光吸收能力及不同激光下等离子体TiN纳米颗粒的加入导致增强的光子利用效率。

图3. UV-Vis-NIR吸收谱图及不同激光热转换曲线

在一个太阳光下，等离子体TiN/semi-RGO-25%吸收器展现出了1.76 kg m−2 h−1的水蒸发速率、99.1%的太阳能光热转换效率及高的光热稳定性。

图4. TiN/semi-rGO吸收器的太阳能水蒸发性能

该项工作证实等离子体TiN/semi-RGO-25%是淡水生产中一种非常具有前景的光热材料，并为开发低成本和高稳定性的光热转化材料及其光热应用器件提供了灵感。

原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202212301

封面来源：图虫创意