本研究由中山大学材料科学与工程学院的梁日荣、黄镇、董奕璇、林法旭、丁静、王伟龙及陆建锋等人完成，其中陆建锋为通讯作者。该论文发表于Desalination期刊第549卷（2023年），文章编号116328，于2022年12月24日在线发表，属于原创性研究论文。

该研究属于太阳能界面水蒸发与热电联产领域。全球淡水资源短缺问题因碳排放增加和水污染加剧而日益严重，利用可持续太阳能进行海水淡化被认为是解决水资源危机的重要途径。近年来，界面水蒸发技术显著提高了太阳能-蒸汽转换效率，但其核心挑战在于高效光热材料与蒸发结构的合理结合。单一组分光热材料存在固有缺陷：金属纳米颗粒虽具有高效等离子体共振吸收，但吸收光谱窄且成本高；碳基材料虽具有宽谱吸收特性，但表面反射导致其发射率较大。此外，普通水体中氢键网络较强，传统蒸发器的蒸发速率存在理论极限（约1.6 kg m⁻² h⁻¹）。因此，本研究旨在通过将钛基金属有机框架（Ti-MOF）衍生的碳/碳化钛（C/TiC）纳米杂化材料与多结构水凝胶/三聚氰胺泡沫相结合，实现高效太阳能蒸汽产生及热电联产。

研究流程可分为四个主要阶段。第一阶段为Ti-MOF的合成与热解。研究者以钛酸异丙酯和1,4-二羧基苯为原料，通过溶剂热法在150°C下反应24小时制备Ti-MOF。随后在氩气气氛下于不同温度（600°C至1200°C）进行热解，获得系列产物Ti-MOF-T。表征结果显示，Ti-MOF-1200°C呈规则圆盘状，碳化钛纳米颗粒（直径20–50 nm）均匀分布在MOF衍生多孔碳中，比表面积达260.5 m² g⁻¹。X射线衍射分析表明，随着热解温度升高，产物由TiO₂逐步转变为Ti₃O₅，最终在1200°C时形成TiC相。拉曼光谱显示Ti-MOF-1200°C的缺陷密度最高（I_D/I_G值为1.39），有利于光热转换。第二阶段为多结构水凝胶蒸发器TMH的制备。将聚乙烯醇、海藻酸钠和Ti-MOF-1200°C混合溶液浸渍三聚氰胺泡沫，经氯化钙和戊二醛交联后得到TMH。该结构保持了泡沫的互连孔隙，同时水凝胶包覆在骨架表面。第三阶段为光热性能与太阳能蒸汽产生测试。在1 kW m⁻²模拟太阳光下，Ti-MOF-1200°C表面温度可达75.4°C，明显高于其他热解产物；其纤维素膜负载样品蒸发速率达1.53 kg m⁻² h⁻¹，太阳能-蒸汽转换效率为90%。进一步测试TMH的蒸发性能，其在一次太阳辐照下的蒸发速率达到1.93 kg m⁻² h⁻¹，效率为91%。差示扫描量热法测量显示TMH的蒸发焓为1781 J g⁻¹，显著低于纯水的2416 J g⁻¹，表明水凝胶与多孔泡沫的协同作用有效降低了水的蒸发能垒。第四阶段为热电联产系统验证。将TMH与商用热电模块及散热片组装成夹层结构，在一次太阳辐照下同时实现0.93 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率和150 mV的开路电压输出。

研究结果详细展示了材料表征、光热性能和蒸发性能三个层面的发现。在微观结构方面，Ti-MOF-1200°C的C/TiC纳米杂化结构通过高分辨透射电镜得到验证，0.23 nm的晶面间距归属于TiC的(200)晶面。紫外-可见-近红外光谱表明该材料在200–2000 nm范围内的反射率仅2.5%，在450–750 nm高能量波段反射率低于2%，吸收率高达98%。相比之下，单一组分多孔碳和MXene的反射率分别为12%和15%，证明了杂化结构设计在提升光吸收方面的优势。在蒸发性能方面，TMH在3.5 wt% NaCl溶液中连续8小时蒸发速率稳定在1.93 kg m⁻² h⁻¹左右，表面无盐结晶；在10 wt%和20 wt%高盐度盐水中，初始1小时蒸发速率分别为1.71和1.63 kg m⁻² h⁻¹，8小时后降至1.45和0.94 kg m⁻² h⁻¹，但停止辐照后盐结晶可在2小时内重新溶解，显示出良好的自清洁能力。离子浓度测试表明，冷凝水中K⁺、Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺四种主要离子浓度较模拟海水降低了3–4个数量级，远低于世界卫生组织饮用水标准。此外，三维蒸发器厚度从5 mm增加至20 mm时，蒸发速率从2.6 kg m⁻² h⁻¹提升至3.2 kg m⁻² h⁻¹，红外热像显示蒸发器侧面温度较环境低4.2°C，证明其能够从环境中回收额外能量。Fluent软件模拟结果与实验数据高度吻合，模拟界面最高温度43.6°C与实际测量值43.7°C基本一致。

研究的核心结论是：通过将Ti-MOF衍生的C/TiC纳米杂化材料与多结构水凝胶/三聚氰胺泡沫相结合，成功构建了一种兼具高效光热转换、低蒸发焓和良好机械性能的太阳能蒸发器TMH。该蒸发器在一次太阳辐照下的蒸发速率达到1.93 kg m⁻² h⁻¹，太阳能-蒸汽转换效率为91%，并且在长期脱盐测试中表现出优异的自清洁能力和稳定性。更重要的是，基于TMH的热电联产系统在一次太阳辐照下同时实现了水蒸发和稳定电压输出（150 mV），为实际海水淡化和热电发电提供了可行路径。

该研究的亮点主要体现在三个方面。其一，通过控制Ti-MOF的热解温度，一步法原位构建了C/TiC纳米杂化材料，既继承了MOF的多孔结构以降低碳材料表面反射，又引入TiC的等离子体吸收特性，实现了晶格共振与等离子体吸收两种光热机制的耦合，光吸收率高达98%。其二，多结构水凝胶蒸发器设计综合了三聚氰胺泡沫的互连多孔网络、水凝胶的亲水基团以及C/TiC的高效光热性能，有效降低了水的蒸发焓（1781 J g⁻¹），突破了普通蒸发器的蒸发速率限制。其三，该研究不仅在实验室尺度验证了材料性能，还通过Fluent模拟、户外实验和长期脱盐测试等多维度手段证实了TMH的实际应用潜力，并通过热电模块与蒸发器的集成展示了太阳能综合利用的新途径。