协同TiN/聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)纳米复合材料用于高性能太阳能蒸发和电化学能量转换

《Desalination》：Synergistic TiN/poly(3,4-ethylenedioxythiophene): Poly(styrenesulfonate) nanocomposite for high-performance solar evaporation and electrochemical energy conversion

　　本文摘要要点：- 提出一种陶瓷启发的导电聚合物杂化材料，作为太阳能驱动海水淡化与电化学储能的双重功能平台。- 阐明了 -SO??/噻吩/TiN 界面化学的协同效应，揭示了其对电荷传输、胶体稳定性、耐久性及可规模化制造的调控机制。- 蒸发速率高达 3.23 kg m?2 h?1，同时离子脱除率超过 99.99%，可用于离网制取淡水，直接助力联合国可持续发展目标 6（清洁水和卫生设施）。- 电化学动力学增强，电流密度更高、电荷转移电阻更低，有助于降低可再生能源集成电力系统中的储能度电成本。引言二十一世纪世界面临的一项重大挑战是淡水短缺。尽管地球表面近 75% 被水覆盖，但其中大部分是海水或咸水，无法直接供人类饮用、农业或工业使用。人口快速增长、城市化进程加速以及气候变化使现有淡水资源承受着更大的压力，凸显了开发可持续、节能的水处理技术的紧迫性。传统的海水淡化方法如蒸馏、反渗透和电渗析已取得不少成功，但由于能耗高且需要大规模基础设施，其应用受到限制。为克服这些缺点，太阳能驱动界面蒸发（SDIE）作为一种有前景且可持续的制取淡水的方法受到了广泛关注。SDIE 系统利用丰富且可再生的太阳能，在气-水界面实现局部加热，从而减少体相水的热量损失，获得极高的蒸发效率。这些系统的效能依赖于所使用的光热材料的性质，这些材料应具备高宽带太阳光吸收率、高效的光-热转换效率以及良好的热管理能力。迄今为止研究的各种光热材料包括等离子体金属纳米粒子、碳基材料、半导体和导电聚合物，其中氮化钛（TiN）是一种特别有前景的材料。TiN 是一种难熔等离子体材料，在可见光和近红外区域具有强烈的局域表面等离子体共振（LSPR），可实现宽带太阳能吸收。除了良好的化学稳定性和机械强度外，TiN 还表现出优异的日光电热转换效率，在单倍太阳光照射下最高可达 93.4%。近期研究表明，基于 TiN 的蒸发器在单倍太阳光照射下的蒸发通量可达 3.02 kg m?2 h?1，凸显了该材料在太阳能水净化方面的广阔潜力。然而，导电聚合物在光热应用中也备受瞩目，尤其是聚(3,4-亚乙二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS），因其良好的光吸收能力、可调导电性和良好的稳定性。此外，PSS 的亲水链有利于水的传输并在蒸发过程中帮助除盐。基于 PEDOT:PSS 的水凝胶和复合材料表现出 2.15 kg m?2 h?1 的蒸发通量，显示出其在太阳能蒸汽生成方面的潜力。除光热应用外，PEDOT:PSS 还因其良好的氧化还原活性被广泛应用于电化学领域，如超级电容器、传感器和染料敏化太阳能电池的对电极。在此，我们系统研究了 TiN/PEDOT:PSS 杂化复合材料在光热和电化学双功能系统中的应用。尽管太阳能驱动界面蒸发已取得显著进展，但大多数报道的系统缺乏集成的电化学功能，并因盐分积累而存在性能下降的问题。为了解决这些局限性，我们开发了一种新型 TiN/PEDOT:PSS 杂化复合材料，将光热净水系统和增强的电化学活性整合在一个排盐平台中。其新颖性体现在两个方面：（i）等离子体 TiN 与导电亲水性 PEDOT:PSS 的合理组合，协同实现了宽带波长范围内的太阳能吸收、高效日光电热转换和快速离子传输；（ii）将该复合材料作为多功能电极进行了验证，其中 TiN 的引入改善了电化学动力学，与纯 PEDOT:PSS 相比，实部阻抗降低了 25.2%（从 292.9 Ω 降至 219.2 Ω）。该蒸发器具有高蒸发通量，达到 3.23 kg m?2 h?1，并可在 32 个循环中稳定工作。本文提出了一种具有多功能能力的新型平台，实现了光热蒸发与电化学应用的结合，为集成式、耐盐的能源-水器件奠定了基础。材料四丁基钛酸酯（Ti(OC?H?)?，≥97%）、蔗糖（C??H??O??，≥99.5%）、戊二醛（GA，25% 水溶液）、硫酸（H?SO?，95–98%）、氯化铁六水合物（FeCl?·6H?O，≥99.0%）、硫酸铜五水合物（CuSO?·5H?O，99.9%）、乙酸钴四水合物 [Co(CH?COO)?·4H?O，≥99.9%]、硫酸镍六水合物（NiSO?·6H?O，99.99%）、氯化钾（KCl，≥99.5%）、氯化钙（CaCl?，≥99.99%）、氯化镁（MgCl?，≥99.5%）、氯化钠（NaCl，≥99.5%），微观结构与界面化学通过 XRD 对 TiN/PEDOT:PSS 复合材料的结晶性进行了表征。衍射图在 2θ 值为 36.78°、42.65°、61.97°、74.23° 和 78.03° 处显示出五个明显峰，分别对应 (111)、(200)、(220)、(311) 和 (222) 晶面。这些尖锐且定义明确的衍射峰表明纯 TiN 结构成功合成。所合成的 TiN 纳米粒子纯度较高。在约 25° 处的宽峰结论通过将溶胶-凝胶法制备的 TiN 纳米粒子整合到 PEDOT:PSS 基体中，制备了多功能 TiN/PEDOT:PSS 纳米复合材料。对复合材料进行了结构和化学表征，以确保形成具有增强光吸收能力和有利界面相互作用的稳定复合材料。在 1 倍太阳光照射下，涂覆 TiN/PEDOT:PSS 的 CC 蒸发器的蒸发通量为 3.23 kg m?2 h?1，表面温度为 41.48°C，对应的太阳能-蒸汽利益冲突声明作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文所报道的工作。致谢作者感谢努拉公主阿卜杜勒-阿齐兹大学的科学研究与图书馆处通过顶尖影响力期刊出版支持计划（SPTIF-2026）对本研究工作的资助。Bushra Shakoor | Muhammad Sultan Irshad | Humaira Razzaq | Van-Duong Dao | Ahdab K. Althukair | Tahani A. Alrebdi | Amjad A. Almunyif | Muneerah Alomar