等离子体合成的光热材料可以实现高效的太阳能水净化

将太阳能转化为热能的技术正在不断发展，并具有众多应用。国家科学研究所（INRS）My Ali El Khakani教授实验室的一项突破为该领域做出了重大贡献

El Khakani教授专门研究用于开发纳米结构材料的等离子体激光工艺。他和他在Énergie Matériaux Télé通信研究中心的团队开发了一种新的光热材料，可以以无与伦比的效率将阳光转化为热量。他们的研究结果发表在《科学报告》杂志上

几十年来，化学计量比氧化钛以其卓越的光催化性能而闻名。这种材料的亚化学计量形式，其特征是氧原子略有不足，被称为“Magneli相”，其特定成分表现出不同的性质

在这些相中，Ti4O7是提供最引人注目的电、化学和催化性能的变体。尽管近年来才对其光热行为进行了探索，但El Khakani教授团队的突破性研究揭示了Ti4O7薄膜在超高效光热转换方面无与伦比的潜力

突破材料的极限

Ti4O7潜在用途的主要限制之一在于合成过程和获得的材料的最终形式

“传统上，Ti4O7是使用热还原方法以粉末形式合成的。这种方法阻碍了材料的纯相，使其难以控制其成分、形态和纳米结构，”INRS的博士生、该出版物的主要作者Loick Pichon说

“这些热还原方法通常会产生具有多种化学成分的混合相，这限制了纯材料的全部潜力，特别是其导电性。”此外，产生的粉末通常被压实成颗粒，大大限制了最终电极的尺寸，最多只有几厘米

El Khakani教授和他的团队转向了一种称为磁控溅射（或RF磁控等离子体）的技术，将这种材料的薄膜沉积为涂层。这种薄膜沉积工艺通常用于半导体行业

El Khakani教授解释说：“通过这种方法沉积的Ti4O7涂层（几百纳米厚的薄膜）完全改变了基材的表面特性，否则基材的尺寸或材料成分可能会发生变化，从金属板到硅片或玻璃板。”

El Khakani教授补充道：“从科学上讲，我们的研究结果做出了重大贡献，因为它们首次建立了Ti4O7薄膜的光吸收能力与其光转换效率之间的基本关系。”

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广泛的应用

通过在各种基材上实现Ti4O7薄膜的可控沉积，INRS研究人员为众多有影响力的应用打开了大门。Ti4O7涂层有望在开发用于净化含持久性污染物的水的高性能阳极方面发挥关键作用

这些耐腐蚀和高导电性的电极对涉及氢气和氨生产的电化学过程也有很高的需求，这是魁北克省的两个重要经济部门。凭借其卓越的光热转换能力，这些涂料也是制造智能加热窗的理想选择，在节省成本和提高能源效率方面具有巨大优势

El Khakani教授总结道：“与常用的反渗透过程不同，在合理大小的表面上创建薄光热涂层的能力为利基应用中的被动海水淡化提供了特别的希望，只使用直射阳光，不需要外部电能输入。” More information: L. Pichon et al, High photothermal conversion efficiency of RF sputtered Ti4O7 Magneli phase thin films and its linear correlation with light absorption capacity, Scientific Reports (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-82091-6

Journal information: Scientific Reports