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壳聚糖材料0512丨江西农业大学Small论文丨空心RuSe2-MoSe2@NC微球/壳聚糖气凝胶Janus电极用于太阳能驱动光热促进海水分离与蒸发

  • 2026-11-01 04:53:17
壳聚糖材料0512丨江西农业大学Small论文丨空心RuSe2-MoSe2@NC微球/壳聚糖气凝胶Janus电极用于太阳能驱动光热促进海水分离与蒸发

2026年,《Small》期刊在线发表了题为“Hollow RuSe2-MoSe2@NC Microsphere/Chitosan Aerogel Janus Electrode for Solar-Driven Photothermal-Promoted Synchronous Seawater Splitting and Evaporation”的研究性论文。在海水电解测试中,RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS在1.81 V外加电压下无需光照即可达到100 mA·cm-2电流密度,而在1 kW·m-2光照强度下仅需1.77 V电压。通过太阳能界面蒸发作用,其蒸发速率达到2.80 kg·m-2·h-1,光热转换效率达92%。《Small》期刊2025年影响因子为12.1,《Small》是一本纳米科学与纳米技术领域期刊,为纳米及微米尺度下的基础研究与跨学科应用研究提供顶尖交流平台,内容涵盖化学、能源、物理与材料科学、工程学、生物医学及生命科学等领域。该期刊的研究范畴还包括纳米技术、有机电子、纳米结构以及石墨烯等各类新材料。

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利用适宜材料驱动海水电解制氢与太阳能驱动海水蒸发,分别是应对能源与淡水资源短缺的重要解决方案。尽管高效海水电解催化剂和太阳能蒸发器已受到广泛关注,但尚未开发出有效整合这两种组件的策略。本研究采用催化剂-凝胶复合集成策略,将制备的空心花状纳米晶包裹RuSe₂-MoSe2与炭黑(CB)嵌入多孔壳聚糖(CS)气凝胶中。合成的RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS材料展现出优异的催化性能、高效的光热转换效率及强大的吸水能力。此外,其精心构建的不对称Janus结构具有出色的耐盐性能。在碱性海水中,RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS材料表现出卓越的氢气与氧气析出反应性能:在100 mA·cm-2电流密度下驱动整体水分解(OWS)仅需1.81 V电压,而在1 kW·m-2光照强度下该电压进一步降至1.77 V。作为太阳能蒸发器,其蒸发速率达到2.80 kg m-2 h-1,光热效率达92%。本研究创新性地利用太阳能驱动的光热效应,在单个电极上实现了海水同步分解与蒸发。此外,专为协同海水电解与蒸发设计的耦合光热装置已在自然光照条件下成功运行。

化石燃料枯竭与环境污染推动清洁能源转型,氢能因高能量密度、零碳排放成为理想替代能源。电催化全解水是绿色制氢核心技术,但传统电解依赖稀缺淡水,且贵金属催化剂成本高、效率受限,亟需适配海水体系的高效、低成本电催化剂。海水电解制氢可节约淡水资源,但存在反应能垒高、动力学缓慢、盐结晶污染电极等问题;同时太阳能驱动界面蒸发是海水淡化的高效可持续技术,却普遍面临盐污堵塞通道、光热转化效率不足的缺陷。现有研究仅单独优化海水电解催化剂或太阳能蒸发器,未实现两者高效协同集成;而 MoSe2具备优异光热转化与电催化潜力,RuSe2成本低于铂且氢吸附吉布斯自由能适宜,氮掺杂碳(NC)、炭黑(CB)可提升导电性与活性位点,壳聚糖(CS)气凝胶亲水性强、多孔易成型,是理想复合基体,但这类多材料协同的Janus 结构尚未被用于同步实现光热促进海水电解与蒸发。结合光热材料的局域加热效应可降低电解反应能垒,同时利用不对称 Janus 结构解决盐污问题,构建单一电极实现太阳能驱动下海水同步电解制氢与蒸发淡化,成为突破能源与水资源双重困境的创新思路。

首次在单一 Janus 电极上,同步实现太阳能光热协同强化海水电解制氢与高效界面蒸发淡化,将制氢与产淡水两大功能耦合,突破单一功能材料局限。构筑空心花状 RuSe2-MoSe2@NC,结合 RuSe2高催化活性、MoSe2强光热特性与 NC 大比表面积,提供丰富活性位点。

嵌入炭黑(CB)与壳聚糖(CS)气凝胶,显著提升亲水性、导电性与光热效率,全光谱吸光率≈95%。碱性海水处理:100 mA cm-2仅需1.81 V,光照下降至1.77 V;光热蒸发速率2.80 kg m-2 h-1,光热效率92%。

图1 RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS的合成示意图。

图2:(a) RuSe2-MoSe2@NC;(b,c) RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS的SEM图像;(d)各样品的 XRD 图谱:30% RuSe2-MoSe2@NC、20% RuSe2-MoSe2@NC、15% RuSe2-MoSe2@NC、10% RuSe2-MoSe2@NC、MoSe2@NC及RuSe2;(e) RuSe2-MoSe2@NC与MoSe2@NC的N2吸附-解吸等温线;(f) RuSe2-MoSe2@NC与MoSe2@NC的孔径分布;(XPS) RuSe2-MoSe2@NC的谱图:(g) Mo 3d、(h) Ru 3p、(i) Se 3d。

图3(a−c)为RuSe2-MoSe2@NC的TEM图像;(d、e)为 HRTEM 图像;(f)为 SEAD 图像;(g)为 EDX 元素分布图。

图4 合成催化剂在1.0 M氢氧化钾+海水中电解水性能。HER的:(a) LSV极化曲线,(b) 10和100 mA cm-2电流密度下的过电位直方图,(c) Tafel图,(d) Nyquist图及相应等效电路;OER的:(e) LSV极化曲线,(f) 10和100 mA cm-2电流密度下的过电位直方图,(g) Tafel图,(h) Nyquist图及相应等效电路;OWS 的:(i) LSV极化曲线。

图5 RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS、RuSe2-MoSe2@NC/CS、RuSe2-MoSe2@NC及CB/CS在1.0 M氢氧化钾+海水中的电解水性能。HER性能:(a) LSV极化曲线;(b) 10 mA cm-2和100 mA cm-2电流密度下的过电位直方图;(c) Tafel图;(d) RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS与已报道催化剂的HER性能对比。OER性能:(e) LSV极化曲线;(f) 10 mA cm-2和100 mA cm-2电流密度下的过电位直方图;(g) Tafel图;(h) RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS与已报道催化剂的OER性能对比。 OWS 性能:(i) LSV极化曲线。

图6(a) RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS与RuSe2-MoSe2@NC的紫外-可见- NIR 光谱。RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS在光照前后的碱性海水电解性能:(a)析氢反应(HER);(b)线性扫描伏安(LSV)极化曲线;(c)塔菲尔图;(d)氧析出反应(OER)的LSV极化曲线;(e)塔菲尔图;(f) OWS 极化曲线。
图7(a)展示了纯水及RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS在1 kW·m⁻²模拟太阳辐照条件下(持续1小时)与无模拟太阳辐照条件下的质量变化;(b)蒸发速率;(c) RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS在模拟太阳辐照下的蒸气生成性能(与先前报道结果对比);(d) RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS蒸发过程中受照表面的温度变化及热成像图(插图);(e)Janus结构示意图。
图8(a)光电海水分解-蒸发耦合装置的示意图及实物图;(b)实际照片;(c)实际蒸发测试过程中太阳能板的温度、光照强度和电压变化;(d)淡水、氢气和氧气的收集体积。

总之,为将太阳能驱动的光热增强海水电解与蒸发技术相结合,研究人员将具有空心花状结构的RuSe2-MoSe2@NC与CB和CS气凝胶复合,制备出RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS复合材料。RuSe2-MoSe2@NC独特的形貌提供了更大的比表面积,结合负载的RuSe2、高温下形成的氮掺杂碳以及多种活性组分之间的协同效应,共同提升了该复合材料的海水电解性能。此外,得益于多孔CS气凝胶优异的吸水性,RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS展现出卓越的海水电解性能。同时,RuSe2-MoSe2@NC及CB中高效的MoSe2光热转换能力与丰富的碳元素,结合CS气凝胶的隔热特性,确保复合材料在光照下能快速升温并维持较高温度。在海水电解测试中,RuSe2-MoSe2@NC/CB/CS在1.81 V外加电压下无需光照即可达到100 mA·cm-2电流密度,而在1 kW·m-2光照强度下仅需1.77 V电压。通过太阳能界面蒸发作用,其蒸发速率达到2.80 kg·m-2·h-1,光热转换效率达92%。此外,精心设计的Janus结构有效避免了盐析现象的干扰。该复合材料还是一款集成光热海水电解与蒸发功能的耦合装置,该设计巧妙创新,能够同步实现电催化海水分解与太阳能蒸发过程。

M. Guo,T. Ouyang, X. Qian, et al. “ Hollow RuSe2-MoSe2@NC Microsphere/Chitosan Aerogel Janus Electrode for Solar-Driven Photothermal-Promoted Synchronous Seawater Splitting and Evaporation.” Small 22, no. 18 (2026): e14570. https://doi.org/10.1002/smll.202514570

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资料整理:徐泽恩(阳光净水)

编辑:环境与能源功能材料

徐泽恩(阳光净水课题组)

【资料整理】徐泽恩:资源与环境硕士研究生,研究方向为海水/废水蒸发处理,发表中科院TOPSCI期刊论文3篇,参与浙江省自然科学基金项目2项,获一等学业奖学金1次。

阳光净水课题组:主要研究方向为壳聚糖功能材料、太阳能蒸发材料、磁性吸附材料、污染物吸附和环境催化反应机理。课题组主页:

https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

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壳聚糖丨纤维素丨MOF材料丨石墨烯丨碳纳米管丨MXenes丨硫化钼丨催化材料丨蒸发材料丨吸附材料丨电极材料丨除磷材料丨产氢材料

2025年9月,国际TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的综述性论文。根据Web of Science检索,这是国际上首篇全面论述多功能和可持续壳聚糖基界面蒸发材料在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本文总结了壳聚糖基太阳能界面蒸发器(CS-SIE)四种类型(水凝胶、气凝胶、海绵和膜)、五种改性材料和在水污染控制中应用。最后,总结了CS-SIEs在际应用中仍面临挑战。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用,最新中科院分区:8.50/二区TOP期刊。

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2024年06月08日,国际期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”综述论文。根据Web of Science检索,这是国际上首篇全面论述壳聚糖基异相催化剂在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本综述概述了金属氧化物/壳聚糖基复合材料(MOs@CSbMs)、金属硫化物/壳聚糖基复合材料(MSs@CSbMs)、铋基半导体/壳聚糖基复合材料(BibSCs@CSbMs)、金属有机框架/壳聚糖基复合材料(MOFs@CSbMs)和纳米零价金属/壳聚糖基复合材料(NZVMs@CSbMs)等5种Cat@CSbMs材料的制备策略及作为助催化剂、光催化剂、类芬顿试剂在处理各类废水中的应用进展。该综述不仅加深了对环境功能材料与环境污染控制作用的理解,也为未来Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和还原金属离子等相关领域的研究提供了参考和启示。该论文自2024年6月发表以来,现已被引用53次(Web of Science),国际引用占比73%,2025年5月起入选ESI高被引论文。

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2024年12月24日,国际期刊《Separation and Purification Technology》发表了阳光净水课题组题为 “ Intriguing and boostingmolybdenumsulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review”综述论文。本综述全面总结了近6年(2018-)MoS2基材料(MoS2bMats)提高废水处理和水净化的有效改性策略,并重点阐述了MoS2bMats在环境污染物吸附、光催化降解和还原、Fenton高级氧化、PMS/PS活化氧化、废水脱盐(膜过滤和太阳能蒸发脱盐)等方面的应用。最后,讨论并提出了MoS2bMats理论研究与应用之间存在差距、工程挑战、未来的研究方向和机遇。该论文自2024年12月线上发表以来,现已被引用28次(Web of Science)。

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2025年06月,国际TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Sustainable chitosan-based adsorbents for phosphorus recovery and removal from wastewater: A review”最新综述论文。本文全面综述了用于废水中磷回收和去除的壳聚糖基吸附材料(CSMats)的性质、改性方法、影响因素。同时,总结了CSMats吸附去除水体磷的主要作用机理(氢键、静电作用、路易斯酸碱相互作用、配体/离子交换和表面沉淀作用)。此外,还归纳了CSMats的再生方法、连续流处理和在实际废水中应用。最后,讨论了CSMats除磷材料面临的挑战和未来发展方向。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用,2025年6月最新影响因子/中科院分区:8.50/TOP期刊。该论文自2024年1月线上发表以来,现已被引用16次(Web of Science),2026年1月入选ESI高被引论文。

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2024年1月,国际期刊《International Journal of Biological Macromolecules》期刊发表了阳光净水课题组题为“A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“的综述性论文。更清洁、更安全的环境是未来最重要的要求之一。与传统材料相比,壳聚糖具有丰富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和亲水性,是一种更环保的功能材料。由于壳聚糖分子链上丰富的-NH2和-OH基团可以有效地与各种金属离子螯合,壳聚糖基材料作为金属氧化物纳米材料(TiO2、ZnO、SnO2、Fe3O4等)的多功能支撑基质具有巨大的潜力。近年来,许多壳聚糖/金属氧化物纳米材料(CS/MONM)作为吸附剂、光催化剂、非均相类芬顿试剂和传感器,在环境修复和监测中具有潜在和实际的应用。本综述全面分析和总结了CS/MONMs复合材料的最新进展,这将为CS/MONMs复合材料的制备和废水处理应用提供丰富而有意义的信息,并有助于研究人员更好地了解CS/MONMs复合材料在环境修复与监测中的潜力。该论文自2024年1月线上发表以来,现已被引用68次(Web of Science),国际引用占比65.0%。

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2024年2月,国际期刊《Separation and Purification Technology》发表了阳光净水课题组题为“ A review on the progress of magneticchitosan-basedmaterials in water purification and solid-phase extraction of contaminants”的综述性论文。污染物检测和水净化对于实现环境保护和资源利用非常重要。构建新型功能材料去除各种污染物也变得越来越重要和紧迫。本综述总结了磁性壳聚糖(M-CSbMs)的3种可靠制备策略(原位策略、两步策略和沉积后策略),并详细介绍了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物(如重金属离子、有机染料、抗生素和其他污染物)和磁性固相萃取超低浓度污染物等方面的研究进展。最后,提出了M-CSbMs目前面临的挑战和前景,以期促进其在水净化和固相萃取污染物方面的实际应用。该论文自2024年2月发表以来,现已被引用46次(Web of Science)。

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