水是生命之源，是世間萬物賴以生存的基礎。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将更加嚴峻。因此，解決淡水資源匮乏的問題是重中之重。
2023 年 9 月 13 日，我國科學家在《自然》雜志上發表了一項關于光熱轉換新材料的文章，這種材料的問世有望爲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。太陽能驅動界面水蒸發技術被提出已将近十年，即太陽能被吸收并轉化爲熱能，促進水分子蒸發爲水蒸氣，水蒸氣被收集後用于後續處理，此項技術在海水淡化生産清潔淡水領域有廣闊的應用前景，利用太陽能可以緩解化石能源的消耗及帶來的一系列環境污染等問題。
此項技術的核心是如何提高太陽能熱能的轉換效率。我國科學家新研制的高效率的光熱轉換新材料爲這項技術的廣泛使用帶來了希望！
科學家們從太陽光與物質相互作用使其産熱的本質出發，利用化學、物理、計算等相關實驗發現，亞氧化钛（TinO2n-1）中存在着的 Ti-Ti 二聚體結構，這種結構會使 Ti 原子核外電子結構的 3d 層電子運動分布範圍受限，發生電子的實空間局域化，能夠在費米能級附近引入平帶電子态，從而導緻電子躍遷的聯合态密度增強。
基于以上的原理，通過進一步實驗發現，作爲亞氧化钛類的一種物質，λ -Ti3O5 對太陽光的吸光率可超過 95%。
反射光譜和電子結構。圖片來源：參考文獻 [ 1 ]
科學家們進一步利用 λ -Ti3O5 與聚乙烯醇材料加工制作蒸發器，爲了提高水蒸發的效率，将蒸發器設計成三維多孔連通結構。實驗發現，在太陽光照射的條件下（1 kW m-2），通過此設備，每小時水蒸發的量能高達 6.09 kg m-2，是目前太陽能驅動界面水蒸發技術進行水蒸發的最快水平。科學家進一步将該設備用于海水淡化實驗中，每天收集的淡水量可以達到 23 L m-2。
可見，若将該設備投入到海水淡化領域，可以實現規模化的淡水制備，會極大地解決淡水資源短缺的問題，也能爲污水廢水的淨化處理帶來新的思路。
三維多孔連通結構蒸發器工作示意圖（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随時間變化；c. 溫度和濕度随時間的變化；d. 日平均光通量和淡水收集速率）。圖片來源：參考文獻 [ 1 ]
關于淡水保護，我們能做什麽
新材料的發現讓我們不再恐懼未來沒有水喝，但是，我們也要節約用水，提升保護淡水資源的意識。
首先，政府已經陸續出台完善淡水資源保護相關的法律法規，通過法律來約束，提醒每個人保護淡水的重要性。加大淡水保護相關政策的宣傳力度，提升大家節約用水的意識。同時，優化淡水在農業、工業中的使用，提高淡水的利用率。
在生活中，我們每個人應該注意節約用水，同時，注意不要亂丢棄廢棄物、化學品、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，共同保護淡水資源，合理用水，不要讓地球上最後一滴水成爲我們的眼淚！
參考文獻
[ 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用 [ J ] . 通用機械 , 2012.DOI:CNKI:SUN:TYJS.0.2012-03-037.
[ 3 ] 解利昕 , 李憑力 , 王世昌 . 海水淡化技術現狀及各種淡化方法評述 [ J ] . 化工進展 , 2003, 22 ( 10 ) :4.DOI:10.3321/j.issn:1000-6613.2003.10.011.
[ 4 ] 陸柱 . 節約用水與水資源再生回用技術的展望 [ J ] . 淨水技術 , 2002 ( S1 ) :5.DOI:CNKI:SUN:ZSJS.0.2002-S1-013.
策劃制作
出品｜科普中國
監制｜中國科普博覽
作者丨石霧遙 生物學博士
責編丨一諾
往期
精選
原創圖文轉載請後台回複 " 轉載 "
