Carbon Energy||基于三原色原理的多功能光热/光催化材料的构建：g-C3N4/Ag2CrO4案例研究

研究背景

太阳能技术对解决能源短缺和环境污染日益关键，但当前光热转换研究主要局限于水蒸发应用，导致未处理水中有机污染物浓缩加剧。为此，开发兼具光热产水、光催化净水及杀菌功能的多效材料成为研究热点。传统黑色光热材料虽具有高吸光性，但大量使用会占据光催化剂活性位点。本研究突破性地基于三原色原理，以绿色聚氨酯（PU）海绵为基底（隔热、亲水），通过聚乙烯醇（PVA）负载浅黄色g-C3N4/砖红色Ag2CrO4复合光催化剂，构建非黑色双功能光热/光催化体系。Ag2CrO4（~1.72 eV）与g-C3N4（~2.70 eV）形成Z型异质结（Ag2CrO4导带0.50 eV，价带2.22 eV；g-C3N4导带-1.13 eV，价带1.57 eV），显著提升光生载流子分离效率，增强光催化活性和稳定性。三维多孔结构通过多重反射增强光吸收，亲水基团降低蒸发焓，实现1.65 kg·m⁻²·h⁻¹蒸发速率，底部热电模块利用温差发电（0.32 V/m²）。该系统同步实现海水淡化（91.5%盐阻率）、污染物降解（98.2% RhB去除）、灭菌（99.3%大肠杆菌灭活）及余热发电，达成“一石多鸟”的太阳能全效利用。

相关成果以

研究数据

图1：不同比例g-C3N4和Ag2CrO4 的PVA/g-C3N4/Ag2CrO4溶胶的制备过程。

图2：不同样品的 XRD、TEM 和 HRTEM 结果。(A) 不同样品的 XRD 图谱。(B) 纯Ag2CrO4和 3C3N4/2Ag2CrO4 复合材料的局部放大 XRD 结果。(C, D) 纯Ag2CrO4的 TEM 和 HRTEM 图像；(E, F, G, H) 3C3N4/2Ag2CrO4 复合材料的 TEM 和 HRTEM 图像；(I) 3C3N4/2Ag2CrO4 复合材料的 EDX 元素图谱。

图3：(A) 原始g-C3N4、Ag2CrO4和 3C3N4/2Ag2CrO4复合材料的XPS图谱。纯g-C3N4、Ag2CrO4和 3C3N4/2Ag2CrO4复合材料的 (B) C 1s、(C) N 1s、(D) O 1s、(E) Cr 2p 和 (F) Ag 3d 的高分辨率 XPS 光谱。

图4：不同 PT/PC 材料的 SEM 图像（比例尺：100 μm）和吸水能力：（A）未改性绿色聚氨酯海绵；（B）PU/PVA/Ag2CrO4；（C）PU/PVA/g-C3N4；（D）PU/PVA/3C3N4/2Ag2CrO4。(E) 不同样品的饱和吸水性能。(F) 不同样品的接触角在连续时间间隔内的变化。

图5：(A) 不同样品的紫外-可见-近红外漫反射吸收光谱。(B) 三原色原理。(C) 未改性绿色聚氨酯海绵。(D) PU//PVA/g-C3N4。(E)PU/PVA/Ag2CrO4。(F) PU/PVA/2C3N4/3Ag2CrO4(G)PU/PVA/3C3N4/2Ag2CrO4 和 (H) MF/PVA/3C3N4/2Ag2CrO4的照片。

图6：(A, B) 纯 RhB 溶液和不同 PT/PC 材料在 1 太阳光强度（1.0 kW m-2）和 2 太阳光强度（2.0 kW m-2）下随辐照时间的质量变化。(C) RhB 溶液和不同 PT/PC 材料存在时的水分蒸发率。(D-G）厚度为 1 厘米的 PT/PC 材料在太阳功率密度分别为 1.0 和 2.0 kW m-2 的不同时间间隔光照射下的输出电流和电压。(H）热发电机制示意图。(I) PU/3C3N4/2Ag2CrO4 PT/PC 材料在 1 太阳光强度下同时降解 PC 的性能。(J) 不同时间光照后大肠杆菌形成的菌落照片。

图7：(A) 在 1 太阳光强度下，RhB 溶液、未改性绿色聚氨酯海绵、聚氨酯/g-C3N4、聚氨酯/Ag2CrO4、聚氨酯/3C3N4/2Ag2CrO4、聚氨酯/2C3N4/3Ag2CrO4和 MF/3C3N4/2Ag2CrO4的表面温度。(B) 在太阳功率密度为 1.0 kW·m-2 的条件下，辐照 10 分钟和 40 分钟后不同样品的表面红外热图像。 (C, D) PU/3C3N4/2Ag2CrO4 PT/PC 材料在太阳光照射 10 次后水的质量变化和相应的蒸发率。

图8：(A) 自来水和 RhB 溶液在 PU/3C3N4/2Ag2CrO4存在下的质量变化。(B) 自来水和 RhB 溶液中的 PU/3C3N4/2Ag2CrO4海绵在太阳功率密度为 1.0 kW·m-2 时分别照射 20 分钟、40 分钟和 60 分钟后的照片以及相应的表面红外热图像。 (C) 在太阳强度为 1 的条件下，以 PU/3C3N4/2Ag2CrO4 作为光热转换材料的 RhB 溶液和自来水的表面温度。(D) 光催化反应过程中溶液的温度变化。(E) 在室温下，PU/3C3N4/2Ag2CrO4在 1 太阳光强度下同时降解 PC 的性能。

图9：(A, B) 纯水和含有各种 PT/PC 材料的水的 DSC 结果和相应的蒸发焓。(C) PVA/g-C3N4/Ag2CrO4溶胶周围的水分子类型示意图。(D) 不同样品构建的电极的光电流密度。(E) 使用 3C3N4/Ag2CrO4 作为光催化剂和不同活性物种捕集剂的 PC 降解性能。(F) g-C3N4/Ag2CrO4异质结的 PC 降解机理。

研究结论

本研究基于三原色原理，通过将砖红色g-C3N4/Ag2CrO4异质结光催化剂负载于柔性绿色聚氨酯（PU）海绵，构建了无黑色添加的双功能光热/光催化（PT/PC）复合材料。没有额外的黑色材料可确保 g-C3N4/Ag2CrO4 异质结上的活性位点充分暴露。PVA 的加入不仅提高了亲水性，还将 g-C3N4/Ag2CrO4 异质结牢固地结合在聚氨酯海绵上。制备出的 PU/PVA/C3N4/Ag2CrO4 除具有优异的亲水性和 PC 特性外，还改善了太阳能光吸收和 PT 转换水蒸发性能。三维网络结构不仅有利于水和水蒸气的传输和蒸发，还有利于入射光的多重反射。集成热电模块可通过塞贝克效应实现热电联产。这些结果证实，PU/PVA/C3N4/Ag2CrO4 复合材料是一种很有前景的多功能材料，可同步实现淡水生产、污水净化和杀菌以及电能输出。该非黑色PT/PC材料设计突破传统光热技术局限，为多功能光热器件开发提供新思路。

https://doi.org/10.1002/cey2.711

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