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江西农业大学Small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

2026-10-24 12:18:54

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。

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。