海水蒸发是一个自然而持续的过程，这一过程不仅在地球的水循环中发挥着关键作用，还储存着大量的太阳能。为了利用普遍存在的蒸发过程同时进行可持续的能源生产和水净化，水伏发电和光热蒸发技术成为了研究的热点。前者利用蒸发界面产生的微水流推动发电，而后者则利用材料的光热效应促进水蒸发产出清洁水，两者在理论上可以集成，相互促进。然而，当前水伏发电与光热蒸发结合的材料体系比较有限，且缺乏同时在流体行为和电荷转移两方面进行协同促进的理论机制，难以达到真正的性能耦合与提升。
针对上述局限性，深圳大学王元丰团队在本研究中开发了一种基于聚吡咯包覆二氧化钛纳米管（PPy@TiO2NTs）的材料集成系统，该系统旨在实现太阳能驱动的电力和清洁水的联合生产。该系统的主要工作原理包括通过水伏发电效应进行电力生产，以及通过光热蒸发和光催化的双重机制来生产清洁水（如图1A所示）。PPy@TiO 2NTs的管状结构显著增加了水流与材料界面的接触面积，并提升了流速，从而产生了更多的双电层（EDL），同时延缓了热量散失，并提供了丰富的催化活性位点。另一方面， PPy@TiO 2NT界面强大的分子相互作用以及吸附性和极性的提升也促进了电荷的有效转移。因此，PPy@TiO 2NT体系展现出了卓越的水伏发电和净水生产性能。
图 1. A) 基于 PPy@TiO2NTs 的太阳能驱动的电力和清洁水联合生产。B) 通过同轴静电纺丝技术和自聚合策略制备 PPy@TiO2NT。
该研究以题为“Polypyrrole@TiO 2 Composite Nanotube System with Enhanced Capillary Fluid and Charge Transfer for High-Current Hydrovoltaic Energy Generation and Seawater Purification.”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
图2. TiO2NT 和 PPy@TiO2NT 的结构表征。A) 和 B) TiO2NT 在不同放大倍率下的SEM图像，显示管状结构。C) TiO2NT 的TEM图像D) TiO2NT 的孔径分布E) PPy@TiO2NT的SEM图像F) PPy@TiO2NT的 TEM 图像G) TiO2NT的XRD图谱。H) TiO2NT 和 PPy@TiO2NT 的 X 射线光电子能谱图 I) TiO2NT 和 PPy@TiO2NT的 N2 吸附-解吸等温线
TiO2NTs是通过同轴静电纺丝技术以及高温煅烧制备而成的，随后吡咯在 TiO2NTs上自聚，制备出 PPy@TiO2NTs（图1B）。如图2所示，作者通过SEM、TEM、XRD、XPS以及BET等手段对 TiO2NTs、 PPy@TiO2NTs的表面形貌、结构、孔径分布和比表面积进行了分析和表征，结果表明PPy@TiO2NTs已成功制备。将 PPy@TiO2NTs负载于三聚氰胺泡沫（MF）上，制得PPy@TiO2NT-MF。
图 3. 水伏发电的机理和特性。A)水伏发电的实验装置示意图 B) PPy@TiO2NW 和 PPy@TiO2NT的水伏发电机理。C) PPy@TiO2NT-MF的输出电压和电流。D) TiO2NT-MF、PPy-MF、PPy@TiO2NW-MF 和 PPy@TiO2NT-MF 的输出电压和 E) 电流的比较。F) 润湿性与输出电压的关系。日照强度（0、1 和 2 个太阳）对 G) 输出电压和 H) 电流的影响。不同氯化钠浓度（0、3.5 和 7.5 wt%）对 I) 输出电压和 J) 电流的影响。K) PPy@TiO2NT-MF的输出电流与最近报道的一些水伏发电器件的输出电流的比较。L) 1、2、3 和 4 个串联样品的输出电压。M) 1、2、3 和 4 个并联样品的输出电流。N) PPy@TiO2NT-MF水伏发电样品的输出电压和电流与外部负载的关系。
首先对 PPy@TiO 2NT-MF的水伏发电性能进行了表征，测试装置如图3A所示。PPy@TiO 2NT的水伏发电机理是基于EDL理论的， PPy@TiO 2NT的管状结构提供的毛细管力加速了水的传输和电荷转移。此外， TiO 2NTs内壁和外壁的PPy涂层可显著降低电阻，增加电流输出。两者共同作用，协同增强了电流输出，在室内条件下，一个高度为1厘米、半径为0.75厘米的圆柱形样品在去离子水中可产生40 μA的高电流，在高盐度环境（7.5 wt% NaCl）中则可达到131 μA。
图 4. PPy@TiO2 的理论计算：Ti原子（浅蓝色球体）、O原子（红色球体）、C原子（棕色球体）、H原子（白色球体）和N原子（深蓝色球体）。A) PPy 与 TiO2 的吸附结构。B) PPy@ TiO2 的电荷密度分布（黄色区域，电子密度增加；蓝色区域，电子密度减少）。C) TiO2、D) 和 E) PPy@ TiO2 的 ESP 分布。F) PPy 与TiO2 之间的吸附能（ TiO2 -PPy-1-1：PPy 的五元环中心与 Ti 的相互作用；TiO2 -PPy-1-2:C：PPy 与 Ti 的相互作用；TiO2 -PPy-2-1:N：PPy 与 Ti 的相互作用）。G) TiO2、PPy 和 PPy@ TiO2 的正负电位。H) TiO2、PPy、PPy@ TiO2 和 H2O 之间的吸附能。(这里，1 表示 H2O 与 Ti 原子相对应；2 表示 H2O 位于 PPy 的五元环中间；3 表示 H2O 与 PPy 的 N 原子相对应；4 表示 H2O 与 PPy 的 C 原子相对应）。
对PPy@TiO 2在分子和电子水平上进行了理论计算。理论计算结果表明，TiO 2和PPy在分子和电子水平上都有很强的相互协同作用，促进了电荷转移，从而有利于水伏发电、SWE以及光催化性能的提升。
图 5. SWE的机理和特性。A) PPy@TiO2NT-MF 的SWE。B) MF、 TiO2NT-MF 和 PPy@TiO2NT-MF 在太阳光照射下的红外热照片，显示表面平均温度。C) MF、 TiO2NT-MF、PPy-MF 和 PPy@TiO2NT-MF 的紫外-可见-近红外吸收光谱。D) TiO2NT-MF 和不同浓度 PPy-MF 的表面光热温度。E) PPy@TiO2NT-MF 在不同阳光强度（0.5、1、1.5 和 2 个太阳）下的温度变化。F) PPy@TiO2NT-MF在 1 个太阳照射下的水分蒸发率。G) PPy@ TiO2NW-MF 和PPy@TiO2NT-MF 的温度-光照响应曲线。H) 海水淡化前后阳离子浓度与世界卫生组织饮用水标准的比较。I) 模拟海水淡化过程后 PPy@TiO2NT-MF 蒸发系统的表面变化。J) PPy@TiO2NT-MF 蒸发系统的抗盐机理。
在SWE性能方面， PPy@TiO 2NT-MF的管状结构有效地防止了热量散失，同时改善了水的传输。因此，在一个太阳光条件下，该系统的水蒸发率能够达到2.13 kg m⁻² h⁻¹，并且具有优异的耐盐性能。
图 6. 光催化机理和特性。A) PPy@ TiO2 协同增强光催化的机理 B) n 型 TiO2、p 型 PPy 和 p 型 PPy@ TiO2 的电子结构。C) TiO2NT-MF 和 D) PPy@TiO2NT-MF 存在下，在不同反应时间内，太阳光照射下 MB 的紫外可见曲线。E) TiO2NT-MF 和PPy@TiO2NT-MF 的光降解曲线。F) 通过伪一阶反应模型拟合的 TiO2NT-MF 和PPy@TiO2NT-MF 的动力学曲线。G) TiO2NT-MF 和 H) PPy@TiO2NT-MF 在 340 nm 波长激发下从 50 fs 到 1 ns 的宽带飞秒瞬态吸收光谱演化等值线图。I) TiO2NT-MF 和 J) PPy@TiO2NT-MF 的飞秒瞬态吸收光谱。
在光催化性能方面，PPy@TiO 2NT-MF丰富的微纳米网络能有效捕获有机污染物，并将其传输到催化活性位点，同时，PPy的引入极大地增强了材料的光催化性能，从而使亚甲基蓝在2小时内的降解率超过90%。通过飞秒瞬态吸收光谱对 PPy@TiO 2NT-MF进行对比分析，结果表明PPy不仅能延长光生载流子的寿命，还能促进它们的分离和传输，从而提高光催化性。
图 7. 区域化应用的潜力。A) 上半年和 B) 下半年的全球太阳辐射强度分布。C) 不同纬度地区上半年的平均太阳辐射强度。D) 不同纬度地区下半年的平均太阳辐射强度。E) 上半年和 F) 下半年 PPy@TiO2NT-MF的预测效率。
最后，作者研究了太阳能强度对PPy@TiO 2NT-MF的发电和水净化能力的影响，以评估其在区域应用中的潜力。这些初步的研究结果揭示了PPy@TiO 2NT-MF在不同地区的适用性，并为未来的实际应用提供了有价值的参考。
小结
作者通过同轴静电纺丝、煅烧和原位自聚合，开发出一种基于PPy@TiO 2NTs的高度集成系统，该系统可同时在太阳能驱动下联合生产电力和清洁水。其主要机理包括通过水伏发电产生电能和通过SWE及光催化产生净水。利用PPy@TiO 2NTs的管状微结构、材料特性和协同增强效应，该系统在发电和净水方面的整体性能得到了显著提升。
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来源：高分子科学前沿
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