西北工业大学/南京工业大学黄晓Sb2Se3/MoSe2/Ag@PAM的光驱动多功能膜蒸发器用于淡水收集和发电

基于Sb₂Se₃/MoSe₂/Ag@PAM的光驱动多功能膜蒸发器用于淡水收集和发电

DOI：10.1016/j.cej.2026.176337

西北工业大学柔性电子前沿科学中心/南京工业大学先进材料研究院黄晓课题组。该课题组通过将Sb₂Se₃/MoSe₂/Ag异质结构嵌入聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶中，设计并制备了一种多功能膜蒸发器，成功实现了在太阳能驱动下同时进行废水蒸发、污染物降解和热电发电，解决了集成系统中难以同时实现高蒸发速率、高效污染物降解和高电功率输出的问题。

研究背景

太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）是同时生产淡水和电力的有前景的策略。然而，现有系统在实现高蒸发速率、高效污染物降解和高电功率输出方面仍面临挑战。具体而言，虽然金属硒化物及其异质结构在光催化和光热领域展现出潜力，但其在智能水处理系统中的光催化与光热协同性能尚未被充分探索。此外，将光热-热电纳米材料与水凝胶基底结合以实现高效的热管理和电能收集，是提升系统综合性能的关键。因此，本文的研究动机是开发一种新型的、集成了窄带隙半导体异质结构、等离子体贵金属和水凝胶膜的多功能蒸发器，以同时解决水污染、淡水短缺和能源需求问题。

研究目标

1.合成新型异质结构：通过水热法和光还原法，首次合成Sb₂Se₃/MoSe₂/Ag三元异质结构，旨在利用其窄带隙半导体异质结和Ag的等离子体效应，协同增强光吸收、光催化活性和光热转换性能。

2.构建多功能水凝胶膜：将Sb₂Se₃/MoSe₂/Ag异质结构嵌入多孔PAM水凝胶中，制备Sb₂Se₃/MoSe₂/Ag@PAM复合膜，旨在利用PAM基底的亲水性和低蒸发焓，实现高效的水传输和蒸发。

3.实现水-电联产：将所制备的膜蒸发器与热电模块集成，旨在实现一个集成系统，能够同时进行含污染物废水的太阳能驱动蒸发净化、污染物光催化降解以及热电发电，并评估其在室外条件下的实际应用潜力。

研究方法

1.材料制备：

Sb₂Se₃/MoSe₂/Ag异质结构：首先通过一步水热法，以Na₂SeO₃、SbCl₃和(NH₄)₆Mo₇O₂₄为前驱体，NaBH₄为还原剂，合成Sb₂Se₃/MoSe₂异质结构。随后，在氙灯照射下，以AgNO₃为前驱体，通过光还原法将Ag纳米颗粒沉积在Sb₂Se₃/MoSe₂表面。

Sb₂Se₃/MoSe₂/Ag@PAM水凝胶膜：将合成的异质结构与丙烯酰胺（AM）、N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）和过硫酸铵（APS）混合，在365nm紫外光下原位聚合，随后冷冻干燥成型。

2.表征手段：采用SEM、TEM、HRTEM、EDXmapping分析形貌和元素分布；XRD和XPS分析晶体结构和化学态；UV-vis-NIR光谱分析光吸收性能；UPS分析能带位置；DSC测量蒸发焓；接触角测量评估亲水性；Raman光谱分析水分子状态。

3.性能测试：

光催化降解：在720W/m²氙灯照射下，以四环素（TC）为模型污染物，评估不同催化剂的降解效率。

太阳能蒸发：在1.0sun（1kW/m²）光照下，测量膜蒸发器的质量变化、表面温度，计算蒸发速率和光热转换效率。

热电发电：将蒸发器与商用热电芯片（TES1-05730）及散热装置集成，在1.0sun光照下，测量温差（ΔT）、开路电压（VOC）、短路电流（ISC）和最大输出功率。

室外实验：在自然阳光下（2025年7月6日，南京），记录10小时内的蒸发量、发电性能和冷凝水水质。

研究结果

1.异质结构表征：成功合成了Sb₂Se₃/MoSe₂/Ag异质结构。HRTEM证实了Sb₂Se₃（040）晶面、MoSe₂（100）晶面和Ag（1/3(422)）晶面的存在。XPS分析表明，MoSe₂含有34.2%的金属1T相，有利于红外吸收和光热性能；Sb₂Se₃与MoSe₂之间形成异质结，促进了电子从Sb₂Se₃向MoSe₂的转移。

2.光催化性能：在60分钟光照下，Sb₂Se₃/MoSe₂/Ag对TC的降解效率最高，达到86.08%，其拟一级反应速率常数为0.034min⁻¹，分别是Sb₂Se₃（0.012min⁻¹）、MoSe₂（0.014min⁻¹）和Sb₂Se₃/MoSe₂（0.029min⁻¹）的2.8倍、2.4倍和1.2倍。机理研究表明，Ag的引入提供了等离子体热电子，促进了•O₂⁻的生成，这是TC降解的主要活性物种。

3.水凝胶膜物化性质：Sb₂Se₃/MoSe₂/Ag@PAM水凝胶在太阳光谱范围内表现出最强的光吸收能力。DSC分析显示其蒸发焓最低（1843Jg⁻¹），低于纯水（2448Jg⁻¹）和其他对比水凝胶。接触角测试表明其亲水性优于纯PAM。在1.0sun光照下，其表面温度在10分钟内迅速升至约80°C，显示出优异的光热性能。

4.蒸发与降解性能：在1.0sun光照下处理TC污染水时，Sb₂Se₃/MoSe₂/Ag@PAM膜蒸发器实现了3.39kgm⁻²h⁻¹的稳态蒸发速率，并在120分钟内对TC的降解效率达到92.0%。其光热转换效率计算为97.19%。经过6天循环测试，蒸发速率略有下降，但Ag的浸出浓度可忽略不计。

5.热电发电性能：在1.0sun光照下，基于Sb₂Se₃/MoSe₂/Ag@PAM的系统实现了5-10°C的温差，并获得了60.41mV的最大开路电压、3.80mA的短路电流和0.37Wm⁻²的最大输出功率。该综合性能优于大多数已报道的水-电联产系统。

6.室外实验：在10小时的自然光照下（最高0.8sun），该系统共生产了19.1kgm⁻²的淡水，并产生了1.9Wm⁻²的电量。产生的淡水水质得到净化，且六个串联设备产生的电能足以驱动一个风扇旋转。

总结

本研究成功设计并制备了一种基于Sb₂Se₃/MoSe₂/Ag@PAM的多功能膜蒸发器，其核心创新在于将窄带隙半导体异质结（Sb₂Se₃/MoSe₂）与等离子体贵金属（Ag）协同整合到具有垂直孔道的亲水性PAM水凝胶基质中。该设计巧妙地解决了传统太阳能蒸发器在集成淡水生产和发电时性能不佳的难题。主要贡献包括：1）通过能级匹配和等离子体效应，显著增强了光吸收、光生载流子分离和光热转换效率；2）利用PAM水凝胶的低蒸发焓和亲水性，实现了高效的水传输和蒸发（3.39kgm⁻²h⁻¹）；3）实现了在一个系统中同时进行高效污染物降解（92%）、高盐水蒸发和热电发电（0.37Wm⁻²），并在室外条件下验证了其实际应用潜力（10小时内产水19.1kgm⁻²，发电1.9Wm⁻²）。这项工作为设计集水处理与能源收集于一体的高性能多功能蒸发器提供了有效的材料平台和设计策略，对未来开发多界面纳米结构以进一步减少热损失、提高效率具有重要启示。

图解( a ) Sb2Se3 / MoSe2 / Ag @ PAM水凝胶膜的制备用于( b )淡水收集和发电

( a ) Sb2Se3 / MoSe2 / Ag异质结的SEM图像。( b-c )为典型Sb2Se3 / MoSe2 / Ag异质结的TEM照片。( d-f ) HRTEM图像突出显示在( c )中的区域。( g ) Sb2Se3 / MoSe2 / Ag的EDX元素面扫描图。( h ) PAM水凝胶表面的SEM图像。Sb2Se3 / MoSe2 / Ag @ PAM水凝胶膜的( i )上表面和( j )横截面的SEM图像

Sb2Se3，MoSe2，Sb2Se3 / MoSe2和Sb2Se3 / MoSe2 / Ag ( a )在黑暗和( b )在光照下对TC的降解曲线。( c ) Sb2Se3、MoSe2、Sb2Se3 / MoSe2和Sb2Se3 / MoSe2 / Ag存在下的降解反应动力学曲线。( d ) Sb2Se3 / MoSe2 / Ag异质结构光催化降解TC机理示意图

( a ) PAM、Sb2Se3 @ PAM、MoSe2 @ PAM、Sb2Se3 / MoSe2 @ PAM、Sb2Se3 / MoSe2 / Ag @ PAM水凝胶的UV - vis - NIR吸收光谱。( b )纯水、PAM、Sb2Se3 @ PAM、MoSe2 @ PAM、Sb2Se3 / MoSe2 @ PAM和Sb2Se3 / MoSe2 / Ag @ PAM水凝胶在水中浸泡的DSC曲线。( c ) PAM和Sb2Se3 / MoSe2 / Ag @ PAM的水接触角测量。( d ) PAM、Sb2Se3 @ PAM、MoSe2 @ PAM、Sb2Se3 / MoSe2 @ PAM和Sb2Se3 / MoSe2 / Ag @ PAM水凝胶的表面温度曲线。( e )在太阳光照射下，在Sb2Se3 / MoSe2 / Ag的协助下，多孔水凝胶结构中水和热传输的示意图

( a ) Sb2Se3 / MoSe2 / Ag @ PAM水凝胶蒸发器及其同时去污和蒸发系统的示意图。( b ) PAM、Sb2Se3 @ PAM、MoSe2 @ PAM、Sb2Se3 / MoSe2 @ PAM和Sb2Se3 / MoSe2 / Ag @ PAM蒸发器在1下的质量变化。0的太阳光处理TC污染水体。( c ) PAM、Sb2Se3 @ PAM、MoSe2 @ PAM、Sb2Se3 / MoSe2 @ PAM和Sb2Se3 / MoSe2 / Ag @ PAM水凝胶蒸发器的红外热图像和( d )表面温度曲线。( e ) PAM、Sb2Se3 @ PAM、MoSe2 @ PAM、Sb2Se3 / MoSe2 @ PAM、Sb2Se3 / MoSe2 / Ag @ PAM蒸发器在1下催化TC降解曲线

( a )基于Sb2S3 / MoSe2 / Ag @ PAM水凝胶膜的水电联产系统示意图。( b )上下两端之间热电芯片的Δ T。( c ) PAM、Sb2Se3 @ PAM、MoSe2 @ PAM、Sb2Se3 / MoSe2 @ PAM、Sb2Se3 / MoSe2 / Ag @ PAM水凝胶体系在1下的开路电压和( d )短路电流曲线以及( e )最大输出功率。0的太阳光。( f ) 1下Sb2Se3 / MoSe2 / Ag @ PAM水凝胶体系的蒸发速率和输出功率与之前报道的水-电系统的对比 

( a ) Sb2Se3 / MoSe2 / Ag @ PAM水凝胶膜的户外蒸发和发电装置的照片。( b )蒸发速率，( c )开路电压，短路电流和功率密度随时间，辐照强度，温度和湿度的变化。( d )冷凝水的TC降解曲线。( e ) ( f )驱动黄色风扇的六个串联蒸发装置的示意图