【研究背景】
迫切需要找到无碳排放的清洁能源解决方案，这是经济进步的一个主要问题。燃烧化石燃料产生的大量二氧化碳强调了寻求可持续能源的重要性。在可行的替代方案中，太阳能是一种丰富的可再生资源，并致力于推进太阳能热技术和太阳能电池技术，以促进能源和环境的可持续性。特别是在太阳能热技术领域，推进太阳能-热转换机制的必要性是显而易见的。这种转换的有效性很大程度上取决于有效吸收光的材料。
为应对上述挑战，韩国国立交通大学研究团队提出了一种利用葡萄糖和Cu2+离子制备Cu纳米粒子（NP）修饰的水热-碳碳杂化材料（Cu–HTCC）的水热合成方法。葡萄糖既可以作为还原剂，有效地将Cu2+离子转化为元素Cu纳米结构，也可以作为HTCC微观结构的前体。为揭示了创新光热功能材料在各种太阳能驱动应用中的新可能性。目前，该文以“Copper-Nanoparticle-Decorated Hydrothermal Carbonaceous Carbon–Polydimethylsiloxane Nanocomposites: Unveiling Potential in Simultaneous Light-Driven Interfacial Water Evaporation and Power Generation”为题在《Small》（JCR: Q1, Top, IF2022=13.3）上发表。文章通讯作者为韩国国立交通大学化学工业研究所Yong Jin Jeong和Tae Kyu An教授。
【文章解读】
图1. HTCC 和Cu–HTCC的制备过程
图2. 复合材料制备过程
图3. a）纳米复合材料的光辅助发电和b）同时测量水蒸发和发电的实验装置。
图4. 通过水热反应合成a）HTCC和b）Cu–HTCC的机理示意图。
图5. a、 b）TE模块、裸PDMS和2D复合材料在3分钟的黑暗期下的TE性能，随后暴露于1个太阳光下7分钟；c） 记录的表面温度和d）不同厚度的Cu–HTCC/PDMS复合材料的电压和表面温度的条形图。误差条表示平均值的标准误差。采用单因素方差分析评估统计学显著性（n=3，P<0.001）。
图6. a、 b）在1个阳光照射下，裸PDMS海绵和3D复合材料的随时间变化的质量变化以及相应的蒸发通量和效率；c） 复合海绵在水蒸发过程中暴露于光1小时下的TE性能，以及d）获得的电压的最大值（d插图：记录的海绵表面温度）。误差条表示平均值的标准误差。采用单因素方差分析评估统计学意义（n=3，P<0.05）。
【文章总结】
该文采用水热合成法，从葡萄糖和Cu2+离子的溶液开始，制备Cu–HTCC杂化材料，其特征为Cu–NPs修饰的HTCC。在葡萄糖既是还原性碳水化合物又是HTCC制造的理想起始材料的情况下，Cu2+离子被有效地还原为元素铜。同时，葡萄糖转化为HTCC，形成了Cu–HTCC杂化材料。HTCC微观结构充当支撑Cu NPs的基质，目的是通过纳米颗粒组装状态产生的耦合效应增强等离子体诱导的电场。随后，使用负载有两种不同形式的Cu–HTCC的PDMS设计了柔性和坚固的纳米复合材料：专门用作光辅助热电（TE）发电机的2D纳米复合材料（Cu–HTCC/PDMS）和3D多孔海绵状纳米复合材料（Cu–HTCC@PDMS)同时用作太阳能TE发电机和水蒸发器。这些复合材料结构经过精心制作，从紫外线到近红外区域都能表现出出色的广谱太阳能吸收能力。值得注意的是HTCC@PDMS在1个阳光照射下，复合海绵在水分蒸发（1.47 kg m−2 h−1）和发电（32.1 mV）方面同时表现出值得称赞的效率。该研究的结果突出了合成的复合材料作为生产光辅助TE发生器和高效水蒸发器的高度可行的候选者的重大前景。这些发现不仅提供了有价值的见解，而且为未来探索开发适合广泛太阳能驱动应用的创新光热材料铺平了道路。
【文献来源】
H. Fattahimoghaddam, I. H. Kim, K. Dhandapani, Y. J. Jeong, T. K. An, Copper-Nanoparticle-Decorated Hydrothermal Carbonaceous Carbon–Polydimethylsiloxane Nanocomposites: Unveiling Potential in Simultaneous Light-Driven Interfacial Water Evaporation and Power Generation. Small 2024, 2403565.
https://doi.org/10.1002/smll.202403565
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