采用电弧熔炼法合成掺锂的λ-Ti?O?，以实现高效的太阳能驱动界面蒸发过程

《Journal of Materials Science & Technology》：Arc-melting synthesis of Li-doped λ-Ti 3O 5 for efficient solar-driven interfacial evaporation

通过电弧熔融结合高能球磨及锂掺杂策略，成功制备了稳定的λ-Ti3O5材料，其太阳能吸收率达94%，与PVA/PVP复合水凝胶蒸发器在1 sun光照下实现5.22 kg m?2 h?1的高蒸发速率，并耐受3.5%盐水结晶24小时连续运行。

　　

陈万祺|唐若兰|杨波|孙文昭|张波|吕培泽|吕邦和|严海蕾|李宗斌|宋松|左亮

材料各向异性与纹理重点实验室（教育部），东北大学材料科学与工程学院，中国沈阳110819

摘要

马涅利相λ-Ti₃O₅因其独特的平带电子结构而成为一种有前景的光热转换材料，适用于太阳能驱动的界面蒸发过程。然而，其在室温下的热力学不稳定性严重限制了其大规模实际应用。为克服这一挑战，我们开发了一种可扩展的合成策略，通过电弧熔炼后进行高能球磨，并结合锂（Li）掺杂来稳定λ-Ti₃O₅。结构和表面分析证实，锂的掺入有效稳定了λ相。形态学研究表明，颗粒尺寸减小（约1–2 μm），同时表面粗糙度增加并产生氧空位，进一步增强了太阳光吸收能力，整体反射率在250–2500 nm范围内低于6%。将10 wt.%的Li_0.25Ti_2.75O₅颗粒加入聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮（PVA/PVP）多孔水凝胶蒸发器中，在一太阳光照射下可实现5.22 kg m^?2 h^?1的蒸发速率。值得注意的是，该蒸发器表现出优异的抗盐结晶性能，在3.5 wt.%盐水中连续运行24小时后仍能保持稳定性能。这项工作不仅提供了一种实用且可扩展的稳定λ-Ti₃O₅的方法，还为开发高效、耐用的光热材料用于海水淡化技术提供了宝贵的见解。

引言

太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）作为一种清洁、可持续且能源效率高的海水淡化技术而受到关注[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]]。该技术利用光热材料将太阳能直接转化为热能，从而在空气-液体界面驱动快速的水蒸发，代表了能源利用方式的范式转变[2,5]。作为SDIE的核心组成部分，光热转换材料的性能直接决定了整体效率[[9], [10], [11], [12]]。因此，主要挑战在于开发具有优异太阳光吸收能力和长期稳定性的低成本、可扩展的光热转换材料。

迄今为止，已经开发了多种具有不同光吸收机制的光热材料，如金属纳米颗粒[[13], [14], [15], [16], [17], [18]]、窄带隙半导体[19]、基于碳的多孔材料[[21], [22], [23], [24], [25]]以及水凝胶[[26], [27], [28], [29], [30]]。其中，马涅利相钛氧化物（Ti_nO_2n?1，3 ≤ n ≤ 9）因其环境友好性和低成本而受到广泛关注[19,20,[31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39]]。特别是λ-Ti₃O₅，由于其独特的平带电子结构，表现出卓越的太阳光吸收能力、光热转换效率和水分蒸发性能[4,36]。然而，两个主要挑战仍阻碍其实际应用：首先，λ相在室温下热力学不稳定，通常仅以纳米晶体形式存在，容易转变为更稳定的β相，难以获得高纯度[40], [41], [42], [43]；其次，现有的合成方法（如氢还原或碳热还原）复杂、产率低且成本高，限制了其大规模生产的可行性[33,[44], [45], [46]]。

为了在室温下获得稳定的λ相Ti₃O₅，人们尝试了多种元素掺杂策略，包括铝（Al）[42]、镁（Mg）[43]、钪（Sc）[47]和锆（Zr）[48]。在我们之前的工作中，通过第一性原理计算评估了27种不同元素（Li、Mg、Al、Sc等）掺入Ti₃O₅时的形成能[49]。其中，锂（Li）对λ-Ti₃O₅的稳定效果最为显著。当锂原子取代钛位点时，其较大的离子半径（0.76 ?）和较低的电荷密度有助于减小晶格常数并缓解电荷不平衡，从而提高λ相的热力学稳定性。此外，与先前报道的掺杂剂（Al、Mg、Sc、Zr）不同，理论研究表明锂掺杂不会在带隙内引入深能级缺陷态，从而保持了Ti₃O₅的优秀光捕获能力[49]。因此，锂掺杂提供了一种与传统过渡金属掺杂不同的稳定机制。

为了解决λ-Ti₃O₅制备中的可扩展性问题，人们开发了替代的合成方法。例如，Ohkoshi等人采用电弧熔炼技术合成了用于工业废热储存和回收应用的Sc掺杂Ti₃O₅[47]。Zhao等人开发了一种激光真空冶金方法，用于超快合成β/λ-M_xTi_3?xO₅（M=Al、Zr等）化合物。值得注意的是，电弧熔炼通过简单调节Ti/TiO₂比例即可实现Ti₃O₅的生产。当与锂掺杂和高能球磨结合使用时，可以高效且可扩展地生产锂掺杂的λ-Ti₃O₅粉末。尽管技术潜力巨大，但文献中关于这些材料性质与蒸发性能之间关联的综合性研究仍然较少。

基于这些见解，本研究提出了一种利用锂掺杂来稳定λ相Ti₃O₅的可扩展电弧熔炼和球磨策略。所得到的锂掺杂λ-Ti₃O₅颗粒在250–2500 nm的全太阳光谱范围内表现出超过94%的太阳光吸收率。在一太阳光照射（1 kW m^?2）下，Li_0.25Ti_2.75O₅/PVA/PVP水凝胶蒸发器的蒸发速率超过5.22 kg m^?2 h^{?1₃O₅在太阳能驱动水蒸发方面的巨大潜力，还为钛基光热材料的合理设计和可扩展合成提供了新方法。}

部分摘录

锂掺杂Ti₃O₅颗粒的制备

通过电弧熔炼后进行高能球磨，制备了一系列Li_xTi_3?xO₅（x=0, 0.03, 0.06, 0.09, 0.12, 0.15, 0.21, 0.25）颗粒，如图1所示。纳米TiO₂和纯Ti粉末作为钛源，Li₂O作为锂源。原材料包括二氧化钛（TiO₂，> 99.9 wt.%，25 nm，CAS: 13463-67-7）、钛粉（Ti，> 99.99 wt.%，CAS: 7440-32-6）和氧化锂（Li₂O，> 99.9 wt.%，CAS: 12057-24-8），均购自

球磨过程中Ti₃O₅的结构、形态和表面化学演变

系统评估了通过电弧熔炼结合高能球磨制备Ti₃O₅颗粒的可行性，详细研究了研磨时间对相组成、微观结构、颗粒大小、表面化学和光学性质的影响。图2(a)显示了未研磨和研磨0、8、12、24和48小时的Ti₃O₅颗粒的XRD图谱（0小时表示未研磨样品）。可以看出，未研磨和研磨后的颗粒主要由

结论

总结来说，本研究提出了一种可扩展的电弧熔炼和球磨策略，用于合成具有增强稳定性和光热性能的锂掺杂λ-Ti₃O₅。Li_0.25Ti_2.75O₅颗粒在250–2500 nm范围内的宽带反射率低于6%。当将这些颗粒加入PVA/PVP多孔水凝胶蒸发器中时，显著提高了太阳能驱动的界面蒸发效率，最高蒸发速率达到了5.22 kg m^?2 h^?1

CRediT作者贡献声明

陈万祺：撰写——原始草稿，研究，概念化。唐若兰：可视化，方法学，研究，数据管理。杨波：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，研究，概念化。孙文昭：可视化，验证，方法学，数据管理。张波：可视化，方法学，概念化。吕培泽：可视化，数据管理。吕邦和：可视化，数据管理。严海蕾：验证。李宗斌：验证。宋松：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金重点项目（编号52331001）、辽宁省科技重大项目（编号2024JH1/11700032）和中央高校基本科研业务费（编号N25ZLV003）的财政支持。左亮还感谢中国科学院院长的特别资助。