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Nano Energy:具有超强光热转换性能的Au@Bi2MoO6-CDs复合材料,用于海水淡化和温差发电

2019.11.29 来自:X-MOL

近几十年来,淡水资源缺乏和能源危机已成为两个急需解决的问题。前者在缺水国家尤为严重,预计到2025年,将有近三分之二的国家陷入淡水短缺的困境。全球能源现状也令人担忧,因为化石能源枯竭和使用化石燃料造成的环境污染困扰着人类。为了缓解淡水资源的短缺和能源危机,人们对利用蓝色能源生产淡水和发电给予了极大的关注,在这方面已经取得了实质性的进展。高效的光热转换材料必须同时具备高太阳能吸收性、高光热转换性、低成本以及良好的稳定性。目前,尽管科研工作者对不同的光热材料进行了广泛的研究,但单组分材料由于其有限的光热转换效率,还不能满足实际需要。因此,通过更好的设计和调控,制备出具有优异光吸收性和更高光热转换效率的复合材料是研究的重点。


云南大学杨鹏、万艳芬团队利用化学制备工艺将等离子体贵金属、半导体和碳基材料复合。由于三者的协同效应,使得Au@Bi2MoO6-Carbon dots (CDs)复合材料具有97.1%的光热转换效率。特别是金纳米锥和碳点的加入,由于电子由Bi2MoO6转移到Au锥和碳点的表面,有效的抑制了Bi2MoO6中电子-空穴对的复合,从而极大地增强了材料的光热性能。研究成果以“High-absorption solar steam device comprising Au@Bi2MoO6-CDs: extraordinary desalination and electricity generation”(具有超高海水淡化和发电性能的Au@Bi2MoO6-CDs基太阳能蒸汽器件)为题,在国际著名期刊Nano Energy 上发表,文章的第一作者是云南大学硕士研究生郑泽民和李慧勇,通讯作者为杨鹏和万艳芬副教授。该研究得到了国家自然科学基金等项目支持。


图1. Au@Bi2MoO6-CDs复合材料的光热水蒸发过程示意图。



图2. 珊瑚状Au@Bi2MoO6-CDs复合材料的SEM形貌图。(a)珊瑚状Au@Bi2MoO6-CDs复合材料的SEM图;(b)珊瑚枝状部分的SEM图;(c)珊瑚枝状部分的元素映射图;(d)珊瑚微球部分的SEM图;(e)珊瑚微球部分的元素映射图;(f-j)珊瑚微球部分中Au,Bi,Mo,O,C的元素映射图。


图3. Au@Bi2MoO6-CDs复合材料微球部分的TEM形貌图。(a)Au@Bi2MoO6-CDs微球的TEM图;(b)在选定区域中Au,Bi,Mo,O和C的相应元素映射图;(c)Au纳米锥的TEM图;(d)Au@Bi2MoO6的SEM图;(e)CDs的HRTEM和相应的SAED图。


图4. Au@Bi2MoO6-CDs复合材料的元素及其价态、成分、表面基团等分析。Au@Bi2MoO6-CDs的XPS曲线:(a)survey;(b)Au 4f;(c)Bi 4f;(d)Mo 3d;(e)O 1s;(f)C 1s;(g)Au@Bi2MoO6-CDs的XRD图;(h)Au@Bi2MoO6-CDs的FTIR图;(i)CDs、Au@Bi2MoO6和Au@Bi2MoO6-CDs的UV-Vis吸收光谱。



图5. CDs、Au@Bi2MoO6和Au@Bi2MoO6-CDs的光热性能对比。(a)带有隔热层的太阳能蒸汽器的示意图;(b)CDs的质量变化图;(c)CDs的表面温度变化图;(d)Au@Bi2MoO6的质量变化图;(e)Au@Bi2MoO6的表面温度变化图;(f)Au@Bi2MoO6-CDs的质量变化图;(g)Au@Bi2MoO6-CDs的表面温度变化图;(h)CDs、Au@Bi2MoO6和Au@Bi2MoO6-CDs的水蒸发速率和光热转化效率对比图。


图6. Au@Bi2MoO6-CDs复合材料在海水淡化领域的研究。(a)在一个太阳光照射下,Au@Bi2MoO6-CDs在不同隔热层上的质量变化;(b)Au@Bi2MoO6-CDs的循环性能;(c)Au@Bi2MoO6-CDs的反射光谱;(d)以海水和去离子水作为蒸发流体时Au@Bi2MoO6-CDs的质量变化;(e)室外测试装置图;(f)太阳能海水淡化前后的离子浓度变化。


图7. Au@Bi2MoO6-CDs的能带图。(a)在接触之前;(b)在接触之后。


图8. Au@Bi2MoO6-CDs复合材料在温差发电领域的研究。(a)集成热电器件的实物图;(b)空白温差片和Au@Bi2MoO6-CDs集成热电器件的Voc;(c)Au@Bi2MoO6-CDs集成热电器件的红外图;(d)Au@Bi2MoO6-CDs集成热电器件的循环性能;(e)空白温差片和Au@Bi2MoO6-CDs集成热电器件的Ioc;(f)Au@Bi2MoO6-CDs集成热电器件的I-V和P-V曲线。


总结


为了实现有效的电子-空穴对的产生和增强的光热转换,杨鹏、万艳芬等人设计并制备了一种新型的复合材料,采用优化的工艺自搭建了一套高效的太阳能蒸汽系统。该工作报道了一种三维介观纳米太阳能吸收材料,包括等离子体贵金属颗粒、半导体和生物质碳点(CDs)三种组分。首次实现在3D的Bi2MoO6内部包裹等离子体Au纳米锥,并在Bi2MoO6外部吸附大量的碳点,合成了珊瑚状的Au@Bi2MoO6-CDs异质结构。与纯Au、Bi2MoO6和CDs相比,该三元复合材料实现了有效的电荷转移,有利于光生电子-空穴对的形成,提高了能量转换效率。同时,表面的片状多孔结构为太阳光的收集提供了众多的位点,通过材料内部对光的多级反射而达到70%的光吸收率。该研究对复合材料进行了光热性能测试,发现Au@ Bi2MoO6-CDs复合材料具有超高的光热性能(在一个太阳光下的光热转换效率为97.1%,水蒸发率为1.69 kg m-2 h-1)。此外,该研究工作将复合材料沉积在商用的温差发电片上,制成了太阳能热电发电器,其输出功率高达97.4 µw cm-2。该工作为解决淡水短缺和能源危机提供了一种新的思路,即构建一种新型多功能材料,将其用于海水淡化和发电,从而获得清洁水和可再生能源。





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