二维 MoN1.2-rGO 堆叠异质结构诱导水分子氢键状态调节实现高效光热界面水蒸发

第一作者：于慧敏博士，王德煜

通讯作者：杨小飞教授，徐浩兰教授

通讯单位：南京林业大学，南澳大学

Advanced Functional Materials 2023, 2214828 DOI: 10.1002/adfm.202214828

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提高光热界面蒸发性能对该技术在太阳能驱动海水淡化中的实际应用至关重要。降低水的蒸发焓是显著提高光热界面蒸发速率最有前途和有效的策略之一。在这项研究中，研究团队开发了一种通过引入亲水性复合材料和水分子之间的非均相相互作用来降低水的蒸发焓的新途径。研究人员将二维 MoN_1.2 纳米片与 rGO 纳米片通过静电力控制形成堆叠的具有大量异质界面的二维MoN_1.2-rGO异质结构并用于光热界面蒸发中。分子动力学模拟证实，异质结构中的原子尺寸厚度的2D MoN_1.2 和 rGO 能够同时与水分子相互作用，并且相互作用明显不同。这种非平衡相互作用导致水分子状态不平衡，很容易破坏水分子之间的氢键网络，从而导致蒸发焓显著降低并提高光热蒸发速率（2.6 kg m^-2 h^-1）。这项研究为设计2D-2D 异质结构来调节蒸发焓来提高光热蒸发效率和清洁水产出提供了一种新策略。

  背景介绍  

光热驱动界面水蒸发是一种最新的利用太阳能制备清洁饮用水的绿色技术。过去几年中，科研工作者们发展了多种策略来大幅提升光热蒸发效率。其中降低水的蒸发焓可以在相同的能量输入条件下大幅的提高光热蒸发速率，是一种经济、有效、广为关注的方法。降低水的蒸发焓的方法主要是通过引入亲水官能团与水分子形成较强的相互作用从而破坏水分子的氢键网络结构，形成较小的水分子簇（也就是intermediate water (IW)）。IW的蒸发焓相比于普通水（free water）要低的多，因此蒸发需要的能量也小得多。要形成大量的IW,一般需要制备具有纳米级孔道的水凝胶以增大水分子以亲水基团之间的作用面积。然后这类水凝胶的制备过程往往比较耗时耗能。基于此，我们认为如果引入非平衡的材料-水分子之间的作用力应该也可以轻易的破坏水分子之间的稳定状态从而降低蒸发焓。但是对于单一材料很难实现这种非均相的作用力。因此我们设计了由两种不同的二维材料形成的2D堆叠异质结构。由于所用二维材料是原子级别厚度的，因此异质结构中的两种材料能够同时与附近的水分子产生不同强度的相互作用，从而破坏水分子之间的平衡和氢键网络形成IW，使蒸发速率大幅增加。

 图文解析  

本工作使用MoN_1.2和rGO纳米片作为原材料并通过控制两者之间的静电作用力形成2D MoN_1.2-rGO堆叠异质结构。XPS和XANES表征表明形成堆叠异质结构以后，两种材料之间有较强的相互作用。

图1. （a) MoN_1.2纳米片扫描电镜照片。（b) MoN_1.2的高分辨透射电镜照片。（c) rGO, MoN_1.2和PDDA修饰和MoN_1.2纳米片的zeta电势，（d）单一rGO，普通MoN_1.2-rGO混合物和MoN_1.2-rGO异质结构的XPS图谱，(e）单一MoN_1.2，普通MoN_1.2-rGO混合物和MoN_1.2-rGO异质结构的XANES谱图，（f）二维MoN_1.2-rGO异质结构的扫描电镜和能普元素分布照片。

将二维MoN_1.2-rGO异质结构，单一rGO, MoN_1.2及普通MoN_1.2-rGO混合物与PVA制成多孔水凝胶并用于光热蒸发。这些水凝胶都具有良好的亲水性能，多孔结构和光吸收性能。其中MoN_1.2-rGO异质结构制成的水凝胶具有最好的光热性能。

图2. (a) 光热水胶凝的的接触角测试。（b) 水凝胶多孔结构的扫描电镜照片。（c）光热水凝胶的光吸收谱图。（d）光热水凝胶在空气中一个太阳强度照射下的表面升温曲线。（e）由MoN_1.2-rGO异质结构制成的光热水凝胶在一个太阳照射下的红外照片。

光热界面蒸发测试显示MoN_1.2-rGO异质结构制成的水凝胶具有最高的蒸发速率（2.6 kg m^-2 h^-1）和能量转化效率，远大于单一rGO (1.7 kg m^-2 h^-1)或MoN_1.2（2.1 kg m^-2 h^-1）形成的水凝胶的蒸发速率。拉曼光谱，DSC及暗蒸发实验测试结果显示水在MoN_1.2-rGO异质结构制成的水凝胶中具有最高的IW含量和最低的蒸发焓（1062 kJ kg^-1）,远远低于纯水（2442 kJ kg^-1），及水在单一rGO （1696 kJ kg^-1）, MoN_1.2(1567 kJ kg^-1)及普通MoN_1.2-rGO混合物(1174 kJ kg^-1)制成的水凝胶中的蒸发焓.

图3.(a,b)光热水凝胶的蒸发速率,(c) MoN_1.2-rGO异质结构制成的水凝胶在光热蒸发过程中的红外照片。（d）水在MoN_1.2-rGO异质结构制成的水凝胶中的拉曼光谱图，（e）水在各种光热水凝胶中的DSC曲线，（f）水在各种光热水凝胶中的蒸发焓数值。

理论模拟显示，水分子在MoN_1.2-rGO异质结构附近不同的区域受到的来自rGO和MoN_1.2的作用力不同。其中当分子位于MoN_1.2-rGO异质界面附近时，两种相互作用力的差别最大。揭示了二维异质结构及异质界面对扰乱水分子之间氢键网络降低水的蒸发焓的作用机制。

图4. 理论模拟水分子与MoN_1.2-rGO异质结构间的相互作用能（a，d）水分子处于异质结构的正上方，（b, e）水分子处于异质结构的异质界面处，（c,f）水分子处于异质结构中rGO上方并远离异质界面。

为了进一步探究二维异质结构和异质界面对水蒸发的加速作用机制。我们构建了四种材料表面包括单一rGO，单一MoN_1.2，MoN_1.2-rGO完全堆叠异质结构（无异质界面），和具有异质界面的MoN_1.2-rGO堆叠异质结构，并进行了水分子从其表面逃逸的模拟。结果显示水分子从具有异质界面的MoN_1.2-rGO堆叠异质结构表面的逃逸速率最快，和实验结果相符，论证了二维异质结构和异质界面对破坏水分子氢键网络和加快水蒸发的作用。

图5.水分子从不同材料表面逃逸的模拟结果。（a）单一rGO表面，（b）单一MoN_1.2表面，（c）MoN_1.2-rGO完全堆叠异质结构（无异质界面）表面，（d）和具有异质界面的MoN_1.2-rGO堆叠异质结构表面。

  总结与展望  

这个工作成功的设计并合成了具有异质界面的 2D MoN_1.2-rGO异质结构并用于高效的光热界面蒸发。制备的堆叠2D-2D异质结构和异质界面通过TEM，元素分布，XPS 和 NEXAFS进行了分析确认。理论模拟表明紧密堆叠的二维结构和异质界面中MoN_1.2-水 和 rGO-水的显著差异的相互作用有效地扰乱了水分子之间的氢键网络并产生更多的 IW，极大的降低了蒸发焓（从 2242 到 1062 kJ kg⁻¹）并加速了水分蒸发。因此，MoN_1.2-rGO异质结构制备的水凝胶实现了 2.6 kg m⁻² h⁻¹ 的高蒸发速率，超过了二维蒸发器在1个太阳强度照射下的理论极限值 (≈1.46 kg m−2 h−1)。这一发现为通过设计异质结构来降低水的蒸发焓从而提高蒸发速率提供了一个有前途的策略。

文献来源

Huimin Yu, Deyu Wang, Huanyu Jin, Pan Wu, Xuan Wu, Dewei Chu, Yi Lu, Xiaofei Yang*, Haolan Xu*, “2D MoN1.2-rGO Stacked Heterostructures Enabled Water State Modification for Highly Efficient Interfacial Solar Evaporation”, Advanced Functional Materials, 2023, 2214828, DOI: 10.1002/adfm.202214828.

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