【研究背景】
聚合物基低蒸发焓材料已成为提高太阳能蒸汽发电效率的普遍选择。尽管已经提出了水团簇和中间水机制来解释低蒸发焓，但活性水的生产过程和微观结构仍不清楚。晶体平面工程用于研究中间水状态和水团簇活化机制。优化晶体表面上独特的开闭配位结构通过优化中间水状态促进了坚固水团簇的产生。在所有材料的太阳能吸收率相似的情况下，晶面工程使蒸发器的太阳能蒸汽发生率提高了31.2%，能效提高到94.8%。探索微蒸发过程和活化水结构有望刺激下一代低蒸发焓材料的发展。目前，该文以“Crystal Plane Engineering to Boost Water Cluster Evaporation for Enhanced Solar Steam Generation”为题在《Nano Letters》上发表。文章通讯作者为海南大学黄玮副研究员。图1. 晶面工程对（a）Co3O4-（111）和（b）Co3O-4-（001）晶面的水活化机制、中间水和水簇结构的影响的示意图。图2. Co3O4晶体的表征。（a–c）Co3O4-c、Co3O4-T和Co3O4-O的TEM图像和FFT图案。在插图中，显示了Co3O4-（001）和Co3O4-。（d，e）Co3O4-C、Co3O4-T和Co3O4-O的Co 2p和O 1s高分辨率XPS图案。图3. Co3O4膜和SSG性能。（a） SSG测试中使用的设备示意图。（b） 不同Co3O4膜的紫外-可见-近红外（UV-vis-NIR）光谱。（c） 干燥Co3O4膜在1个太阳下的光热行为。（d） Co3O4膜在1个太阳下的质量变化，以散装水为对照。（e） 不同Co3O4膜和散装水的蒸发焓和能量效率。（f） 我们的工作与报道的基于半导体的蒸发器的比较。图4. 解开水活化机制。（a，e）BW几何形状示意图和（b，f）根据理论模拟在界面处形成的IW。（c，g）氢键供体（蓝色曲线）、氢键受体（红色曲线）和氢键（绿色曲线）的平均值，作为Co3O4表面和液态水之间界面距离的函数。（d，h）具有拟合曲线的拉曼光谱，显示了Co3O4-M的IW与FW的比率。（i-l）Co3O4-（111）和Co3O-4-（001）上结合水的原位太阳蒸发傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征。该文选择具有可控暴露晶面和表面价态的尖晶石Co3O4来广泛调节固液界面结构，以优化IW态并促进水团簇蒸发。Co3O4晶体被设计成三种典型的结构，包括纳米立方体（Co3O4-C）、截短八面体（Co3O3-T）和正八面体，其暴露的晶面分别为（001）、（001）+（111）和（111）。它们的太阳能吸收率相似，但SSG性能和蒸发焓却截然不同。实验和理论模拟结果表明，Co3O4-（111）晶面上独特的开闭配位结构可以促进H2O的解离，形成接受或提供氢键倾向较低的羟基化BW，从而扩大IW层（如图1）。之后，IW中断裂的氢键充当“陷阱”，捕获饱和配位O释放的质子，形成坚固的水团簇，从而激活有效的水团团簇蒸发。因此，与Co3O4-C（1.70 kg m-2 h-1）和Co3O4-T（1.92 kg m-2 h-1）相比，具有暴露的（111）晶面的Co3O4-O样品显示出2.23 kg m-2 h-1的SSG率明显更高。此外，Co3O4-O的相应蒸发焓（1806.9 J g–1）明显低于Co3O4-C（2194.2 J g–2）和Co3O4-T（2047.9 J g–3）。
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c04646
