近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分子催化與原位表征研究組(503組)李燦院士團(tuán)隊(duì)在太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，通過(guò)對(duì)典型寬禁帶半導(dǎo)體二氧化鈦進(jìn)行過(guò)渡金屬-非金屬共摻雜，在其帶隙中構(gòu)建離散的中間能帶(Intermediate band)，實(shí)現(xiàn)高效光吸收與光熱轉(zhuǎn)換，并揭示了缺陷態(tài)調(diào)控非輻射產(chǎn)熱機(jī)制，為發(fā)展高性能光熱材料提供了新思路。
 

　　太陽(yáng)能作為重要的清潔可再生能源，其高效轉(zhuǎn)換利用是人類實(shí)現(xiàn)碳中和的重要途徑。光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠直接利用太陽(yáng)能，在聚焦太陽(yáng)能發(fā)電、海水淡化和光熱催化等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。其中，太陽(yáng)能水蒸發(fā)技術(shù)作為一種便捷、高效地獲取淡水資源的方式，受到廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)半導(dǎo)體基材料的光熱轉(zhuǎn)換受限于其寬帶隙導(dǎo)致的低吸光效率，以及非輻射復(fù)合等問(wèn)題，限制了光熱轉(zhuǎn)換效率的進(jìn)一步提升。
 

　　李燦團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于太陽(yáng)能光催化、光電催化、電催化、光伏發(fā)電等太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化科學(xué)與技術(shù)的研究。近期，團(tuán)隊(duì)也在太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化領(lǐng)域進(jìn)行了大量探索研究，在熱化學(xué)循環(huán)制氫，光伏-熱電耦合發(fā)電等方向取得系列進(jìn)展。本工作從光熱轉(zhuǎn)換的本征物理過(guò)程出發(fā)，通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)控引入不同性質(zhì)的捕獲態(tài)/缺陷態(tài)(Trap/Defect states)作為光生電子-空穴的復(fù)合位點(diǎn)，提升了非輻射弛豫效率，實(shí)現(xiàn)了全太陽(yáng)光譜的高效吸收與轉(zhuǎn)換，為太陽(yáng)能水蒸發(fā)等應(yīng)用開辟了新途徑。
 

　　
       李燦團(tuán)隊(duì)在前期工作中提出了太陽(yáng)能分光譜區(qū)間熱轉(zhuǎn)換利用策略，通過(guò)測(cè)定太陽(yáng)光譜各區(qū)間的本征光熱轉(zhuǎn)換效率，發(fā)現(xiàn)紫外光區(qū)是轉(zhuǎn)換效率的瓶頸；并通過(guò)非金屬摻雜，將半導(dǎo)體在紫外光區(qū)的轉(zhuǎn)換效率從65%提升到82%(ACS Appl. Energy Mater.，2024)。在本工作中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)對(duì)二氧化鈦(TiO2)進(jìn)行鉻(Cr)、氮(N)共摻雜，發(fā)現(xiàn)摻雜元素Cr、N在TiO2晶格中形成了Cr-N結(jié)構(gòu)單元。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，Cr 3d與N 2p軌道之間的d–p雜化作用在TiO2帶隙中構(gòu)建了中間能帶IBs，充當(dāng)電子-空穴復(fù)合位點(diǎn)，使得其能對(duì)紫外光利用效率達(dá)到92.5%，并在全太陽(yáng)光譜(250至2500 nm)區(qū)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)93.4 %的高吸收效率，以及97.9%的光熱轉(zhuǎn)換效率。基于該材料制備的三維水蒸發(fā)器在一個(gè)太陽(yáng)的標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下，能夠?qū)崿F(xiàn)4.59 kg m-2 h-1的水蒸發(fā)速率和94.7%的太陽(yáng)能水蒸發(fā)效率。戶外實(shí)驗(yàn)表明，1m2蒸發(fā)器日均可產(chǎn)生約40 kg淡水，可滿足20名成年人的日常飲水需求，展現(xiàn)出了實(shí)際應(yīng)用潛力。
 

　　相關(guān)研究進(jìn)展以“Structure regulation of TiO2 with transition metal nitride units towards efficient solar energy harvesting”為題，于近日發(fā)表在《化學(xué)工程雜志》(Chemical Engineering Journal)上。該工作的共同第一作者是我所503組博士研究生胡芯和助理研究員王升揚(yáng)。以上工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委“人工光合成”基礎(chǔ)科學(xué)中心、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。