摘要：淡水短缺与能源匮乏是现代社会面临的两大紧迫全球性挑战。将太阳能驱动的界面蒸发与水伏特效应相结合，成为同时解决这两大问题的极具前景的策略。本文，北京石油化工学院Guangjian Xing等在《Desalination》期刊发表名为“Solar-driven c
1成果简介
淡水短缺与能源匮乏是现代社会面临的两大紧迫全球性挑战。将太阳能驱动的界面蒸发与水伏特效应相结合，成为同时解决这两大问题的极具前景的策略。本文，北京石油化工学院Guangjian Xing等在《Desalination》期刊发表名为“Solar-driven co-production of freshwater and electricity using Janus Nb2CTX/graphene aerogels”的论文，研究报道了专门设计的Janus Nb₂CTX/石墨烯气凝胶（NGAs），该材料能协同促进太阳能驱动的海水蒸发与水伏特发电。通过水热反应、冷冻干燥与表面改性技术协同制备的双面NGA，形成了具有明显亲水-疏水不对称性的三维多孔结构——这是其双功能表现的关键结构特征。
在1 sun光照条件下，优化后的NGA-3样品实现了1.64 kg·m⁻²·h⁻¹的高海水蒸发速率，并展现出86.61%的卓越光热转换效率。该效率归因于气凝胶多孔结构中中间态水形成引发的蒸发焓降低 （1904 kJ·kg⁻¹）的降低所致。同时，Nb₂CTX MXene组分通过局域表面等离子体共振效应增强宽带阳光吸收，进一步提升光热转换效率。该气凝胶还展现出强劲的水伏性能：在NaCl溶液中，NGA-3样品于1 sun条件下稳定输出147 mV电压，3 sun条件下达236 mV。在10% NaCl溶液中峰值功率密度达197μW·cm⁻²，展现出对高盐环境的适应性。此外，该材料兼具优异的耐盐性和长期运行稳定性。通过高效光热转换与电力采集的协同集成，双面纳米气凝胶为缓解全球淡水资源与能源压力提供了可行解决方案。
2图文导读
方案一、Schematic illustration of the preparation process of Nb2CTX dispersion.
方案二. Schematic illustration of the preparation process of Janus NGAs.
图1. TEM images of Nb2CTX and FESEM images of Janus NGAs: (a) TEM image and (b) HRTEM image of Nb2CTX nanosheets, (c) Tyndall effect of Nb2CTX dispersion, (d) digital images of Janus NGAs, FESEM images of the (e) hydrophilic and (f) hydrophobic sides of Janus NGAs, EDS spectra of the (g) hydrophilic and (h) hydrophobic sides, and (i) elemental mappings of the hydrophobic side.
图2. Wettability of NGA-3: (a) water absorption in the hydrophilic side, (b) stable hydrophilicity under the evaporation process, (c) water-repellent performance of the hydrophobic side, and (d) WCAs of the hydrophobic side of all NGAs.
图3. Using DSC and dark evaporation experiments to determine the evaporation enthalpy of water in Janus NGAs: (a) DSC curves of seawater absorbed in NGAs, (b) mass change of water under dark evaporation, and (c) schematic diagram of reduction of evaporation enthalpy in NGAs.
图4. The states of water within NGAs: (a) schematic of BW, IW, and FW in Janus NGAs, fitted Raman spectra (OH region) of (b) NGA-0, (c) NGA-1, (d) NGA-2, (e) NGA-3, and (f) IW/FW ratios in Janus NGAs.
图5. The evaporation capabilities of NGA-3 in actual outdoor environments: (a) surfacetemperature changes and IR thermal images (inset) from 9:00 to 18:00, and (b) powerdensity of natural sunlight, evaporation rate, and conversion efficiency from 9:00 to 18:00.
图6、 The salt-resistant and desalting capabilities of NGA-3: (a) schematic of Janus NGAs desalting, (b) salt-resistant over 10 h, desalting under (c) natural light and (d) simulated sunlight.
图7. The electricity generation capabilities of Janus NGAs: (a) NGA-3 output 114.5 mV under indoor light, output voltages under (b) indoor light and (c) 1 sun (3.5 wt% NaCl), (d) output voltages of NGA-3 under varying sunlight, (e) EDL-based power generation mechanism, output voltages of NGA-3 with (f) different electrolytes and (g) NaCl solutions with different concentrations, (h) power density vs. reported hydrovoltaic systems, and (i) cyclic stability.
3小结
成功合成了Janus Nb2CTX/石墨烯气凝胶（NGAs），实现了高效太阳能驱动海水蒸发与水光发电的同步进行。NGAs的双面神结构结合Nb2CTX的掺杂，协同提升了其光热转换效率（用于蒸发）与电泳效应（用于发电）。该双面结构NGA展现出卓越的太阳能海水蒸发性能：在1 sun辐照条件下，含最高Nb2CTX含量的NGA-3样品实现1.64 kg·m⁻²·h⁻¹的惊人蒸发速率，对应转化效率达86.61%。该蒸发性能超越纯GA及Nb₂CTX含量较低的其他NGAs。增强的蒸发能力源于NGAs内部水分子蒸发焓值降低——通过差示扫描量热法和拉曼光谱分析证实，这是由于富含氢键弱化的中间态水分子所致。在水光伏性能方面，双面纳米晶玻璃-氧化物复合材料在室内自然光下展现116 mV稳定电压，1 sun光照下达147 mV。当光照强度提升至3 sun时，输出电压进一步攀升至236 mV，充分体现光热输入与水光伏输出间的强正相关性。此外，提高电解液浓度可将水伏性能提升至240 mV，功率密度达197 μW·cm⁻²，超越多数现有水伏系统。此外，双面纳米玻璃电极展现出卓越的长期稳定性和实用适应性：经20天浸没测试无结构损伤，连续5个运行周期保持稳定性能，并具备高效耐盐性。这种多功能双面纳米玻璃电极为淡水生产与清洁能源采集的集成化平台提供了广阔前景，在离网沿海或干旱地区具有显著的应用潜力。
文献：
来源：讲科学停不下来
