江西农业大学·福州大学·Small· 气凝胶·Janus结构·光热效应·海水电解·界面蒸发
空心RuSe₂–MoSe₂@NC微球/壳聚糖气凝胶Janus电极用于太阳驱动光热促进的同步海水电解与蒸发为同时缓解“绿色制氢与淡水短缺”两大全球性难题，江西农业大学与福州大学团队构建了由空心花状RuSe₂–MoSe₂@NC微球与壳聚糖（CS）气凝胶耦合、并嵌入导电碳黑（CB）与镍泡沫的Janus（双面不对称）复合电极。该电极通过“催化剂—气凝胶复合一体化”策略实现结构—功能协同：空心花状RuSe₂–MoSe₂@NC与N掺杂碳提供高比表面积与多活性位点；CB提升电导；CS气凝胶赋予强亲水与热绝缘，从而在碱性海水中兼具高效整体水分解（OWS）与高效界面蒸发能力。实验表明：在1.0 m KOH + 海水中，作为双电极时于100 mA cm⁻² 仅需1.81 V；在1 kW m⁻² 光照下进一步降至1.77 V，显示出显著光热促反效应。作为太阳界面蒸发器，蒸发速率达2.80 kg m⁻² h⁻¹，光热转换效率92%。性能来源于多尺度结构设计：空心花状微球与N掺杂碳带来更多活性位与快速载流子传输；CS气凝胶增强润湿并降低界面热损失；Janus结构与镍泡沫导热耦合构建“前热后冷”的温差驱动盐迁移通道，实现抗结盐与持续蒸发。除核心指标外，材料在HER/OER中表现出更小的Tafel斜率与电荷转移电阻（Rct），并在100 h稳定测试中保持形貌与相结构基本不变，体现出优良耐久性。由此，作者提出“光热—电催化—界面传质”一体协同范式，为海水制氢与淡化的场景融合提供了新路径。相关论文以“Hollow RuSe2–MoSe2@NC Microsphere/Chitosan Aerogel Janus Electrode for Solar-Driven Photothermal-Promoted Synchronous Seawater Splitting and Evaporation”为题，发表在Small上。技术路线图（部分）如下：研究动机：在可再生能源转型与水资源短缺的双重驱动下，迫切需要在同一体系内实现高效海水电解制氢与太阳界面蒸发淡化，降低系统复杂度与能耗。前人瓶颈：高效海水电解催化与高通量界面蒸发多为各自独立优化，跨尺度耦合设计不足；蒸发器普遍受盐结晶“污染—失效”，同时传统电解主要依赖整体加热、能量利用低。本工作方案：设计RuSe₂–MoSe₂@NC/CB/CS Janus复合电极，利用空心花状NC载体与RuSe₂/MoSe₂ 协同提升活性与导电；CB增强电极电导与光吸收；CS气凝胶提高亲水与热绝缘。构建“前热后冷”的非对称结构，实现光热自升温、界面蒸发、盐迁移与电催化OWS的协同运行。引出关键问题：如何在电极尺度上同时优化（i）活性位点与传质通道，（ii）光热耦合与界面温差，（iii）抗结盐与长期稳定性，并将其转化为OWS与蒸发效率的可量化提升。图1 中文图注：（A）RuSe2–MoSe2@NC/CB/CS 的合成示意图（包括 Mo‑PDA 前驱体构筑、负载 Ru³⁺、高温硒化/碳化与 CS 气凝胶复合、交联与冻干形成 Janus 结构）。图2 中文图注：（a）RuSe2–MoSe2@NC 的 SEM；（b, c）RuSe2–MoSe2@NC/CB/CS 的 SEM。（d）30%RuSe2‑MoSe2@NC、20%RuSe2‑MoSe2@NC、15%RuSe2‑MoSe2@NC、10%RuSe2‑MoSe2@NC、MoSe2@NC 与 RuSe2 的 XRD。（e）RuSe2‑MoSe2@NC 与 MoSe2@NC 的 N₂ 吸脱附等温线（BET）。（f）RuSe2‑MoSe2@NC 与 MoSe2@NC 的孔径分布（BJH）。（g–i）RuSe2‑MoSe2@NC 的 XPS：Mo 3d、Ru 3p、Se 3d。图3 中文图注：（a–c）RuSe2–MoSe2@NC 的 TEM；（d, e）HRTEM 晶格条纹；（f）SAED 衍射图；（g）EDX 元素分布（Mo、Ru、Se、C、N、O 均匀分散）。图4 中文图注：1.0 m KOH + 海水体系下所合成催化剂的电解水性能。（a）HER 的 LSV 极化曲线；（b）10 与 100 mA·cm⁻² 过电位柱状图；（c）Tafel 斜率；（d）Nyquist 图及等效电路。（e）OER 的 LSV；（f）10 与 100 mA·cm⁻² 过电位；（g）Tafel 图；（h）Nyquist 及等效电路。（i）OWS 的 LSV 极化曲线。图5 中文图注：在 1.0 m KOH + 海水中的比较：RuSe2–MoSe2@NC/CB/CS、RuSe2–MoSe2@NC/CS、RuSe2–MoSe2@NC 与 CB/CS 的电解水性能。（a）HER 的 LSV；（b）10 与 100 mA·cm⁻² 过电位；（c）Tafel；（d）与已报道 HER 催化剂的比较。（e）OER 的 LSV；（f）10 与 100 mA·cm⁻² 过电位；（g）Tafel；（h）与已报道 OER 催化剂的比较。（i）OWS 的 LSV。图6 中文图注：（a）RuSe2–MoSe2@NC/CB/CS 与 RuSe2–MoSe2@NC 的 UV–vis–NIR 吸收谱。RuSe2–MoSe2@NC/CB/CS 在光照前后于碱性海水中的电解性能：（b）HER 的 LSV；（c）Tafel。（d）OER 的 LSV；（e）Tafel。（f）OWS 的 LSV（1 kW·m⁻² 光照下电压降低至 1.77 V）。图7 中文图注：太阳界面蒸发性能。（a）在 1 kW·m⁻² 模拟太阳与暗场下，纯水与 RuSe2–MoSe2@NC/CB/CS 的质量变化；（b）蒸发速率；（c）与已报道蒸汽产生器的比较；（d）蒸发过程中受光面温度变化与红外热像（插图）；（e）Janus 结构示意（前热后冷、循环对流与抗结盐）。图8 中文图注：光热海水电解–蒸发耦合装置。（a）装置示意与局部实物图；（b）实物照片；（c）户外测试时温度、光强与太阳能板电压随时间变化；（d）淡水、H₂ 与 O₂ 的收集量。提出“催化剂—气凝胶复合一体化”的Janus电极理念，将空心花状RuSe₂–MoSe₂@NC与CB、CS气凝胶及镍泡沫耦合，实现电催化/光热/传质多物理场协同。构建前后非对称（Janus）结构与导热路径，形成稳定温差驱动的盐迁移回路，长期抑制盐结晶并维持高效蒸发。利用光热升温降低反应能垒，显著降低 OWS 工作电压（100 mA cm⁻²：1.81 V→1.77 V，1 kW m⁻²）。通过N掺杂碳与空心花状微球放大比表面积与活性位，结合CB提升电导、CS提升润湿性，系统性降低Tafel斜率与Rct并提升100 h稳定性。材料原料：多巴胺（PDA）前驱体、(NH₄)₂Mo₇O₂₄、RuCl₃、Se粉、壳聚糖（CS）、醋酸、戊二醛（GA）、碳黑（CB）、镍泡沫等。合成策略：乙醇/水（2:1）体系中PDA自聚于胶束形成空心微球，Mo₇O₂₄⁶⁻诱导花状外层；分散干燥负载Ru³⁺ 得到Mo‑PDA@Ru；与Se粉高温硒化并碳化骨架，获得空心花状RuSe₂–MoSe₂@NC；在弱酸性CS溶液中引入CB与RuSe₂–MoSe₂@NC，并置入预洗镍泡沫，经GA交联与冻干得到RuSe₂–MoSe₂@NC/CB/CS Janus电极。合成机理关键词：自聚/碳化、硒化反应、N掺杂碳骨架、席夫碱（C═N）交联、Janus非对称构型。材料性能优势：100 mA cm⁻² 电解电压1.81 V（光照1 kW m⁻² 时1.77 V）；蒸发速率2.80 kg m⁻² h⁻¹，光热效率92%；Tafel斜率与Rct低、亲水性显著增强、100 h稳定。应用领域简写：能源转换（EC；OWS）、太阳界面蒸发（SIE）、海水淡化（SWD）。主要性能表现：在碱性海水中HER/OER双优，整体水分解（阴阳极同材）于100 mA cm⁻² 仅需1.81 V；光照后进一步降至1.77 V；界面蒸发速率2.80 kg m⁻² h⁻¹，效率92%。性能支撑机制：光热升温加快电荷转移与反应动力学；空心花状多级孔结构与N掺杂碳提供高活性位与快速电子通道；CS气凝胶增强润湿与热局域；CB增强光吸收与导电。结构/原料设计赋能：花状空心微球（高比表面积/可达格栅扩散）、N‑掺杂碳（活性调控/导电）、CS气凝胶（亲水/隔热）、Janus结构+镍泡沫（温差与盐迁移回路）。次要性能表现：更小Tafel斜率与Rct，长期电解形貌与相基本稳定；蒸发过程中持续抗盐结晶。机理支撑：席夫碱网络提升力学与稳定性；温差诱导对流促盐向背面迁移与回溶，维持光吸收与水通道畅通。结构/原料归因：RuSe₂/MoSe₂ 协同、N‑C基体、CB/CS复合界面与非对称热管理。材料综合特性汇总：电催化（低电压/高电流/低阻抗）与蒸发（高通量/高效率/抗结盐）兼具的一体化Janus电极。典型应用方向：海水制氢与并联淡化、离网或弱电网区域的太阳能—电解耦合装备、岸基或岛屿供氢供水系统。具体表现指标：OWS（100 mA cm⁻²）电压1.81 V（光照下降至1.77 V）；蒸发2.80 kg m⁻² h⁻¹；光热效率92%；100 h稳定无显著退化。核心贡献：提出光热—电催化—传质耦合的一体化Janus电极范式，打通海水电解与界面蒸发的系统边界，显著降低能耗与复杂度。科学或工程意义：在实际太阳环境下实现并行制氢与蒸发，为分布式能源与水资源获取提供可行架构与材料学依据。潜在拓展应用：与光伏/光热组件、膜分离与储氢系统集成；针对复杂盐水/污水的耐污设计；面向近海/岛礁/应急保障的模块化装置。2）机理：席夫碱交联·光热耦合·非对称热管理·盐迁移/对流3）性能：整体水分解·低Tafel斜率·低电荷转移电阻·高蒸发速率·高光热效率·抗结盐·长期稳定4）应用：海水电解·太阳界面蒸发·海水淡化·分布式能源—水系统研究单位（中文）：江西农业大学化学与材料学院；福州大学化学工程学院DOI: 10.1002/smll.202514570本公众号发布的内容（包括但不限于文字、图片、视频、音频及设计素材等），如有侵权，请联系删除。我们始终尊重知识产权，严格遵守《中华人民共和国著作权法》等相关法律法规，致力于维护健康的内容创作环境。欢迎大家投稿，联系邮箱：Gel_hub@163.com
