北航翟锦/范霞团队Small: 基于GO/MoS/CNC纳米流体膜中光电/热效应太阳能增强蓝色能源转换

第一作者：李文娜

通讯作者：翟锦 教授；范霞 副教授

通讯单位：北京航空航天大学仿生智能界面科学与技术教育部重点实验室

论文DOI：10.1002/smll.202506667

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近日，北京航空航天大学化学学院翟锦教授、范霞副教授研究团队在光电/热效应太阳能增强蓝色能源转换取得研究成果。研究团队针对光响应材料的应用面临载流子复合快、热场受限及光谱响应范围窄等问题，创新性地将 “蓝能”（渗透能）与 “绿能”（太阳能）耦合，构建了GO/MoS₂/CNC离子通道膜。利用MoS₂与 GO的能级差抑制光生载流子复合，提升电流通量与离子选择性；同时，二者的光热效应可加快离子扩散速率。该太阳能强化渗透能转换系统的输出功率密度达到 8.74 W/m²，相较于无光照条件提升 78.4%；在 1 M KCl 溶液中可产生 71.5 μA 的超高光响应电流。本研究为太阳能强化离子通道渗透能转换提供了新思路，证实了通过光-电/热效应实现高效发电的新策略。相关成果以“Solar-Enhanced Blue Energy Conversion via Photo-electric/thermal in GO/MoS₂/CNC Nanofluidic Membranes”为题于2025年9月10日发表于《Small》杂志。

背景介绍

光诱导温度梯度、空间位阻及表面电荷分布梯度可精准调控纳米流体通道中的离子传输，为高效捕获渗透能（“蓝能”）提供了新方向。太阳能（“绿能”）与反向电渗析（RED）技术结合进一步提高盐度梯度能量转换效率，光-电/热效应成为增强渗透发电的有效策略。

本文亮点

1）GO和MoS₂的光电效应促进电子-空穴分离，增加活性电子，增强电流通量和离子选择性。同时，它们的光热效应加速了离子扩散。

2）在1 M KCl中，系统实现了高达71.5 μA的超高光响应电流。在300倍盐度梯度下，功率密度增加了223.7%，达到60.2 W/m²。

图文解析

图1 GO/MoS₂/CNC（GMC）膜中的（a）光电效应，（b）光热效应及（c）太阳能诱导光-电/热效应强化渗透发电示意图。

图2所示，首先通过限域水热法制备MoS₂，随后将合成的MoS₂与CNC、GO悬浮液超声混合，形成均一的三元悬浮液，最后将该分散液真空抽滤到微孔膜上，得到GMC离子通道膜。

图2 GMC 膜制备流程。

图3a~b 所示，GO/CNC（GC）膜表面与截面SEM图。GO/MoS₂/CNC（GMC）膜表面与截面SEM图（图3c~d）显示其表面基底相对平整，MoS₂纳米花结构分散均匀。对GMC 膜进行XPS分析（图 3e），证实元素在 GMC 膜中共存。XRD分析（图 3f），基于 GO 的特征峰角度比较 GO 膜与GMC 膜的层间距。图 3g ， GMC 膜的孔径分布曲线显示其主导孔径集中在 1.58 nm 左右。图 3h₁，GMC 膜的水接触角为 52.9°； GMC分散液具有明显的丁达尔效应（图 3h₂）；制备的 GMC 膜均一且具有宏观尺寸（图 3h₃）。图 3i，在不同 pH值，GMC 膜表面带负电，表明该离子通道膜具有阳离子选择性。

图3 GC 膜与 GMC 膜的结构与性能表征。表面与截面 SEM 图：（a~b）GC 膜；（c~d）GMC 膜；（e）GMC 膜的 XPS 全谱；（f）GO 膜与 GMC 膜的 XRD 图谱；（g）孔径分布曲线；（h）GMC 膜的表面与胶体性能：（h₁）水接触角（CA≈52.9°）、（h₂）胶体悬浮液、（h₃）光学照片；（i）不同 pH 下 GMC 膜的 Zeta 电位。

在 50 倍 KCl 浓度梯度下，不同 MoS₂/GO 比例下，复合膜输出功率达到最大值为 4.9 W/m²（图 4a）。图 4b， GMC 膜的渗透能转换性能具有优异稳定性，16 天后V_OC仅出现微小衰减。图 4c，当 KCl 浓度梯度从 10 倍增至 10⁴倍时，膜的阳离子迁移数（t_n）和最大能量转换效率（η_max）分别为 0.70~0.89 和 19.96~38.99%，且在 50倍 KCl 下，膜的离子选择性高达0.917。

本研究的重点是光照下离子传输的强化，通过氙灯、红外灯及复合灯分别产生光电、光热及光-电/热协同强化效应。在光-电/热效应下，GMC 膜在50倍KCl梯度中提升至 3.3 μA 的 I_SC与 9.8 mV 的 V_OC（图 4d）。光-电/热效应使 V_OC与 I_SC分别提升至无光照时的 1.1 倍与 1.8 倍（图 4e），其提升效果优于多数已报道的二维膜。在无浓度梯度条件下，光-电/热效应使复合膜在 0.5 V 电压下产生 71.5 μA 的超高光响应电流（图 4f），该值超过多数文献报道结果。图 4g，光-电/热条件下 GMC 膜与GC 膜的光诱导功率密度比（LIPR）与贡献率（rate）比较。复合膜在300 倍浓度梯度下达到 18.6 W/m²，约为 50 倍浓度梯度的 3.8 倍（图4h）。300 倍盐度梯度下，光-电/热效应使复合膜的功率输出密度达到 60.2 W/m²，LIPR=3.2，相较于无光照条件提升 223.7%。在真实海水/河水体系（图 4i），光-电/热下功率密度显著提升至 11.10 W/m²，相较于无光照条件提升 130.3%，LIPR=2.3。

图4. GMC膜的渗透发电及光电/热增强盐度梯度能量转换性能。在50倍盐度梯度下：(a)MoS₂/GO重量含量对输出功率密度的影响；(b)V_OC稳定性；(c)不同KCl梯度下的扩散电位、对应的阳离子转移数及能量转换效率；(d)I-V曲线；(e)I_SC与V_OC增长示意图；(f) 1M KCl浓度下无光照及不同光照条件下的I-V曲线；(g)50倍KCl浓度下不同光照条件下的LIPR及rate；(h)不同浓度梯度下无光照及不同光照条件下的功率输出密度；(i)实际海水/河水系统中的功率输出密度与电流密度变化。

该设计实现了高效光捕获，GMC 膜的禁带宽度窄于 GO，有利于提升光吸收能力并缩短电荷迁移路径（图 5a）。Mott-Schottky分析证实 GMC 膜的平带电位介于 GO与MoS₂之间（图 5b）。电子能级匹配与界面电荷转移动力学揭示了 GMC 膜光电效应的根本机制（图 5c）。时间分辨光致发光光谱量化界面电荷转移效率，GMC 膜载流子寿命的延长（图 5d）。GO-MoS₂介导的光热转换在红外光照下升高膜-溶液界面温度，从而加快离子扩散。

本研究采用太阳能模拟器精准模拟太阳光照。相较于无光照条件，50 倍KCl 盐度梯度下太阳能照射时GMC 膜的 I-V 曲线斜率增大；最大功率密度达到 8.74 W/m²，提升 78.4%；LIPR 与 η_total分别是 GC 膜的 1.2 倍与 1.5 倍（图 5e-g）。太阳能刺激下 GMC 膜在5、50、300 倍 KCl 梯度下的输出功率密度（图 5h），结果均显著高于无光照条件。最终在太阳能与海水-河水复合条件下验证实际应用可行性（图 5i）。

图5 GMC 膜的光学性能与太阳能强化渗透能转换性能。（a）Tauc 图与禁带宽度；（b）Mott-Schottky；（c）光照下 GMC 膜的电子转移示意图；（d）时间分辨光致发光光谱；50 倍 KCl 梯度下无光照与太阳能照射时GMC 膜的：（e）I-V 曲线，（f）功率输出密度与电流密度，（g）GC 膜与 GMC 膜的 LIPR 及 η_total对比；（h）不同 KCl 浓度梯度下无光照与太阳能照射时 GMC 膜的功率输出密度对比；（i）海水 - 河水体系中无光照与太阳能照射时 GMC 膜的功率输出密度与电流密度对比。

总结与展望

本研究通过实验与理论分析阐明了热效应与电子效应在促进离子传输中的作用，通过整合盐度梯度能与太阳能两种可持续能源，为高效渗透能捕获提供了新途径。

文献信息

本文“Solar-Enhanced Blue Energy Conversion via Photo-electric/thermal in GO/MoS₂/CNC Nanofluidic Membranes”为题发表在Small期刊，一作为硕士研究生李文娜，通讯作者为北京航空航天大学的翟锦教授和范霞副教授。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202506667

通讯作者介绍

翟锦，北京航空航天大学化学学院教授、博士生导师。长期从事仿生光电转换纳米材料和器件研究，在仿生光响应纳米通道设计、光电转换系统等前沿领域取得系列创新成果。在 Nature、Adv. Mater.、NPG Asia Mater. 等国际知名期刊发表论文240余篇，被引超1.9万次，H指数57。主持国家自然科学基金重大研究计划、国家重点研发计划等多项项目。获国家自然科学奖二等奖、北京市科学技术奖一等奖。2009年入选教育部新世纪优秀人才支持计划和北航“蓝天学者”特聘教授。现任中国化学会女化学工作者委员会委员、《北京航空航天大学学报》编委等学术职务。

范霞，北京航空航天大学化学学院副教授、硕士生导师。主要研究方向为受生物启发的仿生智能纳米通道及表面浸润性研究。在Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Energy Materials 等国际知名期刊发表SCI学术论文40余篇。作为项目负责人，主持国家自然科学基金面上项目和青年科学基金项目等多项科研课题。研究致力于通过调控纳米通道结构（如锥形、分支型等）和功能化修饰（如光响应分子），探究离子输运特性及能量转换规律，为构建高效能量转换器件提供基础。曾获北京航空航天大学“蓝天新秀”奖励。

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