海水淡化加速:科學家研製可高效脫鹽的新型納米顆粒材料

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俄羅斯遠東聯邦大學(FEFU)、聖光機大學(ITMO University)和俄羅斯科學院遠東分院的研究人員組成的一支科研團隊,剛剛在 ACS《應用材料與界面》期刊上介紹了為高效脫鹽而開發的新型納米顆粒材料。可知這種帶有「金飾」的二氧化鈦納米顆粒,可將之吸收的大約 96% 太陽能轉化為熱量,從而讓海水淡化工廠的蒸發提速至 2.5 倍,且可用於追蹤有害的分子及化合物。

海水淡化加速:科學家研製可高效脫鹽的新型納米顆粒材料

FEB RAS 高級研究員 ALexander Kuchmizhak(來自:FEFU 新聞稿)

根據世衛組織(WHO)與聯合國兒童基金會(UNICEF)在 2019 年的報告中提出的問題,全球約 22 億人缺乏安全的飲用水。但俄羅斯科學家展示的這項技術,有望為聯合國的 17 個可持續發展目標提供安全用水支持。

提供清潔飲用水的其中一種方法,就是通過蒸發收集器來淡化海水。不過為了提升產能,過去五年時間裡,許多國際研究團隊都在積極尋找可提升蒸發速率的新材料。

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除了 FEFU、FEB RAS 和 ITMO 的大學研究人員,這項成果還離不開來自西班牙、日本、保加利亞、以及白羅斯的同行協助。

而且研究人員宣稱,在加速海水淡化工廠的蒸發速率的同時,新型納米材料還可用作感測器系統中的光學監測器,以追蹤液體中各種物質的微小痕迹。

展望未來,我們或在微流體生物醫學系統、晶元實驗室,以及水中污染物、抗生素或病毒的環境監測等領域見到它的身影。

海水淡化加速:科學家研製可高效脫鹽的新型納米顆粒材料

研究配圖(來自:ACS)

研究合著者、FEB RAS 自動化與控制過程研究所高級研究員 Alexander Kuchmizhak 表示:「在激光照射下,最初結晶的二氧化鈦變成了完全無定形的晶體,從而獲得了強大的光吸收特性」。

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此外金納米簇對材料的裝飾和摻雜,進一步促進了可見光的吸收。起初研究團隊打算在光伏背景下利用這項特定,但後續很快意識到,得益於新型非晶結構,太陽能電池活性層中的納米粒子,將把太陽能轉換成熱能、而不是電能。

基於這一設想,他們開始嘗試在海水淡化槽中運用這種納米加熱器,結果在實驗室環境下收穫了積極的反饋。值得一提的是,研究中使用的材料本身,也是通過簡單且環保的液體激光燒蝕技術得來的。

FEFU 理工學院初期研究員 Stanislav Gurbatov 補充道:「我們向含有金離子的液體中添加了二氧化鈦納米分粉,並利用可見光譜的極光脈衝來照射這種混合物」。

該方法不需要昂貴的設備或危化品,並且能夠很輕鬆地進行優化,以每小時數克的速率來合成獨特的納米材料。

雖然最初的二氧化鈦納米粒子無法吸收可見光的激光輻射,但其表面形成的納米金簇可起到催化的作用,從而刺激了二氧化鈦的進一步熔融。

其中雜化的納米粒子融合形成了獨特的納米形態,且納米金簇位於二氧化鈦的內部和表面。

最終,帶有「金飾」的非靜態二氧化鈦納米粉呈現了幾乎純黑的外觀,就像太空中的黑洞那樣吸收了整個可見光譜、並將之轉換成了熱量。與之形成鮮明對比的是,用於原料的市售二氧化鈦粉末,看起來反而更接近於白色。

有關這項研究的詳情,已經發表在近日出版的 ACS《應用材料與界面》(Applied Materials & Interfaces)期刊上。原標題為《Black Au-Decorated TiO2 Produced via Laser Ablation in Liquid》。

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