福建農林大學袁占輝教授團隊ACS Appl. Mater. Interfaces：用于高效光熱蒸氣產生和發電的多級組裝層狀膜

碳達峰、碳中和是新時代全球面臨的重大戰略任務。納米光熱材料是利用綠色清潔能源－太陽能，并采用其獨特層級結構的設計使界面水在太陽能的作用下蒸發。這樣一個水/熱傳輸相結合的框架結構完全符合海水淡化應用中對于光熱轉化材料的要求。

近期，福建農林大學材料工程學院袁占輝教授團隊在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上發表了題為“High porosity lamellar films prepared by multistage assembly strategy for efficient photothermal water evaporation and power generation”的論文。該研究采用層層自組裝技術成功設計并合成了層狀多孔薄膜。這種通過多級組裝策略構建的層狀膜具備由納米級通道組合的多孔網絡系統，可實現高效的供水和蒸汽轉移，以及加強局域化的隔熱性能。此外它利用水流與碳材料界面的相互作用產生電能輸出，實現為小型設備的供電。

圖1 形貌表征。( a-d?)實體照片；( e-h )表面SEM圖像；( i-l ) SEM圖像的側面，刻度條為10 μ m和1 μ m。

一維和二維材料構建的多孔層狀膜，如圖1所示，這種薄膜具有明顯的層狀結構。同時低倍和高倍的掃描電鏡圖像清楚的顯示了層級組裝的復合膜表面平整連續，沒有明顯的破損情況。這表明在rGO夾層中插入一維PSS@CNT不僅有效地防止了石墨烯的聚集，還構建了層間傳質的納米孔。

圖2孔結構、水蒸氣吸附特性和光吸收性能的表征。(a) n-PSS@CNT/rGO膜的N₂吸收-脫附等溫線；(b) n-PSS@CNT/rGO膜的水接觸角；(c) n-PSS@CNT/rGO膜的水蒸汽等溫線；(d) 濕態下n-PSS@CNT/rGO的光吸收曲線。

孔徑分布可以看出（圖2），不同的復合膜PSS@CNT/rGO孔徑分布均相對集中分布在5-20 nm范圍。接觸角顯示親水性聚合物PSS的包裹，改善了CNT原有的疏水特性，形成了一維親水性材料。和SEM測試中觀察到表面PSS@CNT明顯增加現象相呼應。容易理解親水材料的增加會導致材料表面親水性增加。水蒸氣吸附表征分析孔道內部對水蒸氣的吸附并非由親水成分（PSS@CNT）單獨決定。結合表面接觸角分析，發現盡管1-PSS@CNT/rGO復合膜的表面親水性最弱，但是其內部納米孔道結構傳輸水的性能卻是最佳。高熱導率和多孔結構特性共存于一張復合膜上，使得n-PSS@CNT/rGO復合膜可以將熱量快速傳遞至孔道中。孔道的存在將水滴納米化從而增加薄膜與水的熱交換面積，從而可以達到很好的一個太陽能蒸發性能。

圖3 光熱蒸發性能和穩定性。n-PSS@CNT/rGO膜的水質量變化：(a) 1倍太陽光、(b) 2倍太陽光、(c) 3倍太陽光和(d) 1-PSS@CNT/rGO膜在不同太陽照度下循環性能的比較。

在模擬太陽光下，層狀膜最高蒸發速率為1.825 kg·m^-2·h^-1，效率為97.1%。通過以上系列數據的對比發現（圖3），1-PSS@CNT/rGO這個比例的復合膜無論在何種太陽光強度下的海水蒸發速率都是最大的。同時它在三個太陽光照射下所得的蒸發速率范圍在允許的范圍內平穩地波動。另外循環前后的截面對比可以發現薄膜的截面仍然能夠保持分明的層狀結構，說明范德華相互作用驅動組裝而成的n-PSS@CNT/rGO薄膜在經過長時間的受熱以及水蒸發后結構仍然能保持穩定。

圖4自然陽光下的大規模蒸發。(a) 12單元擴大化蒸發和室外蒸發裝置的照片；(b) 9：00至17：00室外試驗的太陽通量；(c)脫鹽前后離子濃度的對比。

圖5 (a)層狀膜蒸發驅動發電示意圖；(b)薄膜微通道內水流誘導流動電勢產生的示意圖；(c)干燥條件下n-PSS@CNT/rGO薄膜充分暴露于1太陽下的開路電壓；(d)由n-PSS@CNT/rGO薄膜組成的器件在0.6 M氯化鈉溶液和1太陽下產生開路電壓。

圖5為水蒸氣誘導發電性能展示。當流體在微/納米通道內流動時，電解質與通道壁之間的交界面上會產生雙電層，毛細管力和蒸發作用可促使流體流動。借助流體的流動，可以促進電荷的移動，從而產生電勢。在蒸餾水中，氫氧根離子被排斥，導致水流攜帶的過量的水合氫離子和向上流動。在氯化鈉溶液中，鈉離子被吸收而氯離子被排斥在原液中。因此太陽蒸發驅動導致離子的重新分布，并導致電壓輸出。將干燥的復合膜完全暴露在太陽光照下不會產生電壓。當復合膜完全浸入水中時，電壓在0 mv左右波動。而不同流體中電勢的差異可能與內部的離子濃度有關，離子濃度很大程度上影響水蒸發流動電勢。輸出電壓大小和蒸發速率的結果變化趨勢相一致，表明蒸發增強了水力發電。這種組裝策略構建的納米層狀多孔膜具有制備工藝簡潔的特征，可實現高效的太陽能驅動蒸發和發電，為緩解能源和環境危機提供了新思路。

福建農林大學材料工程學院為本論文的第一通訊單位，研究生吳依婷為第一作者，袁占輝教授為第一通訊作者，閩江學院王莉瑋教授參與了相關的工作。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c05125

團隊簡介：

生物質先進催化及功能材料團隊始建于2015年，是福建農林大學校級創新團隊之一，袁占輝教授為該團隊的負責人。在福建農林大學碳中和、碳達峰創新行動方案的指導下，該團隊結合生物質材料研究的優勢，與當代先進的無機粉體材料、光電和光催材料和天然高分子材料多學科交叉結合，并針對二維晶體材料、功能化高分子復合材料的制備及其在新型清潔能源、化工、航空航天等領域的應用展開研究工作。

團隊網站：https://acfm.fafu.edu.cn/main.htm