本研究由应良日、梁飞、黄震、丁静、王伟龙、刘书乐及陆建峰等人完成，通讯作者为陆建峰，研究团队来自中山大学材料科学与工程学院。该研究于2023年8月28日在线发表于*Chemical Engineering Journal*第474卷，论文编号为145709。

该研究属于太阳能驱动界面蒸发与海水淡化领域，旨在解决现有太阳能蒸发器在浓盐水中蒸发速率偏低和盐分沉积不可避免两大瓶颈问题。太阳能驱动蒸汽发生被广泛认为是极具前景的海水淡化策略，但在实际应用中，光热转换效率不足以及盐结晶在蒸发器表面累积会显著降低蒸发性能。针对上述问题，作者提出并制备了一种具有双层结构的气凝胶（MS-aerogel），将海胆状MoS₂/Mo₅N₆/C复合材料固定于生物质明胶基底中，以实现高浓度盐水中的高效抗盐淡化。该复合光热材料将半导体MoS₂、等离子体Mo₅N₆和多孔碳杂化，获得了优越的光热转换性能，并借助亲水基团和纳米结构表面降低界面蒸发焓，从纯水的2405.8 J g⁻¹降至1694.6 J g⁻¹。最终MS-aerogel在一个太阳辐照下实现了1.89 kg m⁻²h⁻¹的蒸发速率，且在20 wt% NaCl溶液中连续12小时淡化后仍保持1.54 kg m⁻²h⁻¹，超过大多数已有报道的自漂浮蒸发器。

研究流程方面，作者首先制备了Mo-MOF前驱体，将咪唑和三氧化钼加入去离子水中搅拌并进行回流反应，得到白色沉淀。接着通过一步水热硫化法制备海胆状MoS₂/C前驱体，具体为将葡萄糖、硫脲和Mo-MOF超声混合后放入高压釜中在200 ℃下处理12小时。随后将所得MoS₂/C前驱体在氨气气氛中于800 ℃热处理2小时，使部分MoS₂转化为Mo₅N₆，得到MoS₂/Mo₅N₆/C复合材料。为了对比，作者还制备了纯MoS₂、纯多孔碳和纯Mo₅N₆等样品，并通过改变退火时间得到不同Mo₅N₆含量的样品。制备MS-aerogel时，将明胶溶于水后加入MoS₂/Mo₅N₆/C和甲醛溶液搅拌，再注入模具中静置使颗粒沉降到底部，经预冷、定向冷冻铸造和真空干燥，最后在200 ℃真空热处理得到稳定的双层气凝胶。表征手段包括X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱和氮气吸附脱附等，用于分析材料的晶相、形貌、元素组成和孔结构。此外，为评估光热转换性能和热管理能力，作者搭建了基于808 nm激光器的光热测试装置，并使用红外相机和Fluent软件进行温度分布测量与模拟。分子动力学模拟被用于验证纳米结构表面对蒸发过程的促进作用。

主要结果方面，XRD和SEM/TEM表明成功合成了海胆状MoS₂/Mo₅N₆/C异质结构，其中Mo₅N₆纳米畴嵌入MoS₂纳米片中，碳以无定形形式包覆在纳米片上。XPS进一步确认了Mo、S、N、C的化学态及Mo₅N₆与MoS₂的比例约为1:5.1。光吸收测试显示MoS₂/Mo₅N₆/C在整个太阳光谱中的吸收率达到约97%，高于单一组分和MoS₂/C。在光热转换性能测试中，MoS₂/Mo₅N₆/C在0.6 W cm⁻²激光辐照下平衡温度达到134 ℃，而多孔碳、MoS₂、Mo₅N₆和MoS₂/C分别为107、115、115和119 ℃，其光热转换效率计算为73.6%。此外，在1 W cm⁻²条件下材料表面温度可达204 ℃。MS-aerogel的SEM显示其内部具有垂直排列的孔道结构，孔径范围为25–250 μm，顶部光吸收层厚度约350 μm，整体具有低密度、高孔隙率、优异的压缩回弹性和自漂浮能力。热导率测试表明其纵向和横向热导率分别为0.0405和0.0354 W m⁻¹K⁻¹，具有显著的隔热性能。在蒸发实验中，MS-aerogel在纯水和20 wt% NaCl溶液中的蒸发速率分别为1.89和1.85 kg m⁻²h⁻¹。通过DSC和热重分析测得MS-aerogel中水的蒸发焓为1694.6 J g⁻¹，远低于纯水。拉曼光谱和红外光谱表明材料表面富含羟基等亲水基团，并存在中间水，有助于降低蒸发焓。分子动力学模拟显示亲水性纳米柱结构表面在2 ns内冷凝的水分子数高于裸表面，进一步验证了纳米结构对蒸发的促进作用。在长期抗盐测试中，MS-aerogel在20 wt% NaCl溶液中连续12小时蒸发后速率仍达1.54 kg m⁻²h⁻¹，延长至20小时表面仍无盐结晶沉积。循环性能测试中经过24个循环后蒸发速率维持在约1.85 kg m⁻²h⁻¹。实际海水淡化实验显示收集到的冷凝水中Na⁺、K⁺、Mg²⁺和Ca²⁺浓度降低了3至4个数量级，符合世界卫生组织饮用水标准。

本研究的结论表明，通过将等离子体Mo₅N₆、半导体MoS₂和多孔碳杂化并集成到垂直孔道结构的明胶气凝胶中，可以实现高效且抗盐的太阳能海水淡化。MoS₂/Mo₅N₆/C复合材料凭借异质结构和多组分协同效应，在宽光谱范围内实现了高光吸收和光热转换效率，同时凭借亲水纳米结构降低了蒸发焓。明胶基底的低热导率和垂直排列孔道不仅减少了热损失，还促进了盐分从蒸发界面向主体水体的快速传输，从而避免了盐结晶积累。该研究为高效抗盐太阳能蒸发器的设计提供了有价值的参考。

本研究的亮点在于：第一，首次提出了将半导体MoS₂、等离子体Mo₅N₆和多孔碳三组分杂化形成海胆状异质结构，通过肖特基结和局域表面等离子体共振协同增强光热转换；第二，明胶气凝胶内部垂直排列的孔道结构有效缩短了盐分传输路径，实现了在20 wt% NaCl溶液中长期稳定蒸发；第三，通过实验与分子动力学模拟相结合，揭示了亲水纳米结构促进水分子蒸发和降低蒸发焓的机理；第四，MS-aerogel具备自漂浮性能，无需额外支撑材料即可稳定浮于水面，简化了蒸发器结构并减少了塑料污染风险。这些结果在高效太阳能淡化和高浓度盐水处理领域具有重要的科学意义和应用前景。