我院物理系教师吴松梅在“高效太阳能界面水蒸发新材料”取得重要进展
研究概述
淡水资源的短缺以及日益严重的水污染问题是全球面临的巨大挑战。基于太阳能的界面蒸发技术可以改善液体表面的热定位，避免体积加热带来大量热损失，是水净化和海水淡化的有效方法。提高界面蒸发效率的重要途径是通过材料结构及能带设计，使薄膜具备高效界面光热转换效率和降解污染物的自清洁功能。
近日，北京交通大学物理科学与工程学院丁克俭教授的研究团队吴松梅副教授利用石墨相氮化碳（g-C3N4）和酞菁铜（CUPC）制备出具有Ⅰ型异质结的复合材料，能够对太阳光进行全谱吸收，光热转换效率为98.5%，在海水中的蒸发效率达到93.6%。在光生活性氧和微量铜氧化物的共同作用下，复合材料具有显著的染料降解和杀菌性能。
该成果以“3D macroporous CUPC/g-C3N4 heterostructured composites for highly efficient multifunctional solar evaporation”为题，发表在英国皇家化学会期刊 Nanoscale 上。
研究内容
近年来，通过半导体材料的带隙及形貌调控来提高界面光热性能成为研究热点，但是这些材料通常基于金属氧化物且需要强酸或强碱等严苛的化学物质来调控微观形貌，不利于大规模应用。该团队采用环境友好的石墨相氮化碳制备出CUPC/g-C3N4复合材料，具有自组装形成的多孔结构，通过异质结形成窄带隙，实现良好的光热性能及污染物降解功能（图1）。
图1. （a）CUPC/g-C3N4复合材料的扫描电子显微镜图，（b）异质结能带结构示意图
研究者选取了三种掺杂浓度（ 0.15 %、1.5 %和7.5 %酞菁铜）制备复合材料，对其纳米流体的光热转换效率进行表征，随后制备成薄膜分别在去离子水和海水中测试界面蒸发性能。结果表明材料的光热转换效率及薄膜的界面蒸发性能随掺杂浓度增加。在1个太阳光强度照射下，CUPC/g-C3N4 7.5% 薄膜对人工海水的蒸发量为1.71 kg·m-2·h-1（图2）。
图2. （a）不同光热薄膜作用下的累计蒸发质量，（b）海水界面蒸发效率
以大肠杆菌和罗丹明染料为污染物模型，复合材料显示出由光生活性氧主导的染料降解性能，并且由于微量铜氧化物的共同作用，杀菌效果显著（图3）。
图3. （a）太阳光照射下染料的吸光度下降曲线，（b）大肠杆菌细胞24小时存活率
总结展望
• 石墨相氮化碳( g-C3N4 )作为一种非金属半导体材料，可以吸收太阳光，产生超氧阴离子等活性氧物质，具有降解有机污染物和杀菌的性能。
• 本体的g-C3N4带隙为2.70 eV，只在蓝紫光区域吸收较好。通过与酞菁铜( CUPC )形成一个带隙更小的复合异质结，使其在红光和红外光区域的吸收显著增强。
• 同时3D多孔的形貌赋予材料高比表面积及超亲水性，显示出太阳能驱动的高效界面蒸发特性。
• 此外，复合材料在水溶液中能有效分解染料分子，杀灭大肠杆菌，表现出优异的水质净化能力。
该工作为基于有机半导体异质结构的多功能界面蒸发器的开发建立了一种新的途径。
论文信息
- 3D macroporous CUPC/g-C3N4 heterostructured composites for highly efficient multifunctional solar evaporation
Chu Cong（储聪，北京交通大学）, Jia Zhikai（贾志开，北京交通大学）, Yu Yu（余宇，北京交通大学）, Ding Kejian（丁克俭，北京交通大学） and Wu Songmei*（吴松梅，北京交通大学）
Nanoscale., 2022,14, 13731-13739