本期分享发表在Chemical Engineering Journal杂志上题目为“The highly stable titanium oxide ceramics with solar-driven interfacial evaporation and photocatalysis dualfunction”的研究文章。
Part 1 文章简介
太阳能驱动的界面蒸发因其环境友好和高效利用太阳能的特点，在水净化方面具有巨大的潜力。在这项工作中，我们成功制备了缺氧 TiO2 陶瓷和 Ti4O7 陶瓷，这两种陶瓷都表现出很高的太阳吸收率。由于其独特的能带结构和丰富的表面孔隙率，陶瓷的吸收率分别达到 89.8% 和 92.9%。此外，这些陶瓷具有令人满意的机械强度，使其能够提供结构支撑，从而实现了高效的太阳能驱动界面蒸发和机械稳定性的理想组合。随后使用陶瓷基蒸发器进行了蒸发实验。结果表明，基于缺氧 TiO2 陶瓷和 Ti4O7 陶瓷的蒸发器在 1 次模拟太阳辐射（1 kW/m2）下分别实现了 1.61 kg/m2/h 和 1.72 kg/m2/h 的蒸发速率。此外，研究人员还观察到，缺氧的 TiO2 陶瓷可以在光热蒸发过程中同时光降解水中的污染物。最后，陶瓷表现出极好的稳定性，在经过 30 次使用、高强度光照和强酸强碱环境浸泡后，其蒸发性能保持不变。这项研究为设计和开发坚固、实用、高效的界面蒸发器提供了一种新方法，用于通过太阳能实现可持续淡水生产。
图1是描述 Ti4O7粉末制备的流程图。
图2是描述 TiO2陶瓷和 Ti4O7陶瓷制备的流程图。
图3是(a)合成的Ti4O7粉末的TEM图像，(b)合成的Ti4O7粉末的SEM图像，(c)TiO2原料和合成的Ti4O7粉末的XRD衍射图，(d)缺氧TiO2陶瓷和Ti4O7陶瓷的XRD衍射图，(e)在1200°C下烧结5h的缺氧TiO2陶瓷的XPS光谱，(f)在1200°C下烧结1h的缺氧TiO2陶瓷的XPS光谱，(g)在1000°C下烧结5h的缺氧TiO2陶瓷的XPS光谱，(h)在1000°C下烧结5h的Ti4O7陶瓷的XPS光谱。
图4是缺氧TiO2陶瓷和Ti4O7陶瓷在太阳光谱范围内的吸收光谱。
图5是（a）用于DFT计算的金红石TiO2和Ti4O7的晶体结构，（b）Ti4O7的能带结构，（c）金红石TiO2的能带结构，（d）缺氧和非缺氧金红石TiO2陶瓷的照片和模拟晶体结构，（e）缺氧金红石TiO2的投影态密度（PDOS），（f）非缺氧金红石TiO2的投影态密度（PDOS），（g）在1200°C下烧结5小时的缺氧TiO2陶瓷的XPS价带光谱和吸收光谱，（h）在1200°C下烧结1小时的缺氧TiO2陶瓷的XPS价带光谱和吸收光谱，（i）缺氧TiO2陶瓷的XPS价带光谱和吸收光谱在 1000°C 下烧结 5 小时，(j) 示意图，说明缺氧金红石 TiO2 中带隙的减少。
图6是(a) 缺氧型 TiO2 和 Ti4 O7 陶瓷烧结过程模拟结果，(b) 陶瓷粉末烧结过程示意图，(c) 缺氧型 TiO2 和 Ti4 O7 陶瓷烧结密度，(d) 缺氧型 TiO2 和 Ti4 O7 陶瓷孔隙率，(e) 缺氧型 TiO2 和 Ti4 O7 陶瓷烧结收缩率，(f) 不同晶粒尺寸陶瓷的物理模型及网格划分，(g) 光以 0° 至 90° 入射时不同晶粒尺寸陶瓷的光吸收率，(h) 不同晶粒尺寸陶瓷的平均光吸收率，(i) 不同表面孔隙密度陶瓷的物理模型及网格划分，(j) 光以 0° 至 90° 入射时不同表面孔隙密度陶瓷的光吸收率，(k) 平均光吸收率具有不同表面孔密度的陶瓷。
图7是(a)光热转换性能测试装置示意图，(b)测试过程中陶瓷的照片和红外成像，(c)缺氧TiO2陶瓷和Ti4O7陶瓷的比热容，(d)光热转换测试过程中缺氧TiO2陶瓷的表面温度与时间的关系，(e)光热转换测试过程中Ti4O7陶瓷的表面温度与时间的关系，(f)缺氧TiO2陶瓷和Ti4O7陶瓷的光热转换效率，(g)示意图显示由于表面孔隙率导致光吸收增强，(h)示意图说明由于带隙减小导致光热转换效率提高。
图8是(a)陶瓷基蒸发器示意图，(b)陶瓷供水过程示意图，(c)无尘纸尺寸，(d)使用不同尺寸无尘纸的蒸发器照片，(e)无尘纸尺寸对蒸发器供水能力的影响，(f)陶瓷孔隙率对蒸发器供水能力的影响。
图9是(a)陶瓷的接触角测量，(b)毛细管性能测试装置示意图，(c)无尘纸提供充足水量的蒸发器示意图，(d)缺氧TiO2陶瓷的毛细管性能结果，(e)缺氧TiO2陶瓷蒸发界面处的理想水流速，(f)Ti4O7陶瓷的毛细管性能，(g)Ti4O7陶瓷蒸发界面处的理想水流速。
图10是（a）无尘纸尺寸示意图，（b）无尘纸高度对蒸发器蒸发性能的影响，（c）无尘纸宽度对蒸发器蒸发性能的影响，（d）无尘纸有效供水面积示意图，（e）缺氧TiO2陶瓷的蒸发速率和效率，（f）Ti4O7陶瓷的蒸发速率和效率。
图11是（a）用于去除污染物的陶瓷光催化剂的照片，（b）在1200°C下烧结5小时的Ti4O7陶瓷的污染物浓度曲线，（c）在1200°C下烧结5小时的缺氧TiO2陶瓷的污染物浓度曲线，（d）在1000°C下烧结5小时的缺氧TiO2陶瓷的污染物浓度曲线。
图12是(a) 缺氧 TiO2 陶瓷的稳定性测试，(b) Ti4 O7 陶瓷的稳定性测试，(c) 缺氧 TiO2 和 Ti4 O7 陶瓷的抗压强度，(d) 缺氧 TiO2 和 Ti4 O7 陶瓷的抗弯强度。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158956
引用：Chen, Lei, et al. "The highly stable titanium oxide ceramics with solar-driven interfacial evaporation and photocatalysis dualfunction." Chemical Engineering Journal (2024): 158956.
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