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中山大学吴青芸、顾林团队通过原位生长碳点（CDs） 的策略，成功制备了碳点-还原氧化石墨烯气凝胶（CDs-rGOA），同步大幅提升了材料的光热转换效率（>99%）和亲水性，完美破解了rGO材料的固有“性能权衡”难题。基于该材料8.25 kg m⁻² h⁻¹的超高蒸发速率，团队创新性地设计了太阳能驱动人工水循环系统，实现了对钴污染土壤60.1%的高效、绿色修复。
背景介绍
太阳能驱动界面蒸发（SIE）技术是解决全球水-能-环境危机的重要可持续方案。还原氧化石墨烯（rGO）因其优异的光热性能被视为SIE的理想材料之一。然而，rGO面临一个经典的“性能权衡”（Trade-off）：提升π共轭结构（光热性能）与维持亲水性（供水能力）难以兼得。以往的改性策略多采用“功能叠加”思路（如复合亲水层），但未能从本质上解决这一矛盾。
本文亮点
能否不从“复合”而从“重构”的角度出发，通过一种简单的工艺，在提升rGOπ共轭结构的同时，为其固有“基因”中注入亲水性，从而实现光热与亲水性能的协同提升？基于此，我们设想利用碳点（CDs）本身兼具π共轭核与丰富亲水官能团的特性，通过一锅水热法使其原位生长于rGO上，以期实现“一石二鸟”的效果。
图文解析
在太阳能驱动界面蒸发（SIE）领域，还原氧化石墨烯（rGO）面临一个经典的“性能权衡”（Trade-off）：提升π共轭结构可增强光热性能，但会牺牲亲水性；而维持亲水性又往往需要保留含氧基团，这又会破坏共轭结构，限制光热转换。
以往的研究策略（如与其他亲水材料复合）多采用“功能叠加”的思路，如同为rGO“穿上”一件亲水外衣。这种方法虽有效，但界面复杂，可能引入额外热阻，且稳定性面临挑战。
而中山大学的吴青芸副教授、顾林副教授研究团队独辟蹊径，从材料本身入手。他们利用葡萄糖与氧化石墨烯（GO）在一锅水热法中同步反应的特性，使碳点（CDs）原位生长于rGO片层之上。CDs本身兼具π共轭核与丰富亲水官能团，如同为rGO“注入”了兼具双功能的“基因”。这不仅是一次简单的“复合”，更是一次“重构”。该策略从本质上协同提升了rGO的固有属性，而非两种材料的机械加和，从而更巧妙、更彻底地打破了上述性能权衡，完美实现了“一石二鸟”的效果。相关工作在国际权威期刊《Chemical Engineering Journal》上发表，硕士研究生朱佳伟为该论文第一作者。
图1：CDs-rGOA的合成设计与应用概念(a) SIE过程示意图。(b) rGO基材料中高共轭与高亲水性的权衡关系。(c) CDs-rGOA的水热合成过程示意图。(d) CDs在rGO上原位生长以实现高效SIE的机制。(e) SIE驱动人工水循环用于土壤修复的概念图：通过创造连续浓度梯度，驱动重金属离子定向迁移并富集于气凝胶中。
“一石”何以“二鸟”？
- 第一只“鸟”：超高的光热转换效率（>99%）
CDs的引入显著扩大了rGO的π共轭体系，缩小了其带隙，促进了光生电子的非辐射衰减，将能量更高效地转化为热能。同时，CDs与rGO之间发生荧光共振能量转移（FRET），CDs吸收的光能可无损耗地传递给rGO并转化为热，使复合材料的光热转换效率高达惊人的99.3%，逼近理论极限。
- 第二只“鸟：优异的水活化与输运能力
CDs表面丰富的羟基、羧基等亲水基团，极大地改善了rGO的润湿性。接触角从rGOA的90.8°急剧降至32.1°，水滴可在2秒内被完全吸收。更重要的是，这些基团能有效破坏水分子间的氢键网络，产生大量蒸发焓更低的“中间水”，大幅降低了水的蒸发能耗。
- “一石二鸟”实现超快的光热界面水蒸发
基于这两大优势，CDs-rGOA在1太阳光照下实现了8.25 kg m⁻² h⁻¹的超高蒸发速率，性能稳居全球报道的rGO基材料前列。
从“高效蒸发”到“土壤修复”：概念的惊人飞跃
然而，团队的雄心远不止于创造一项“性能冠军”材料。 他们极具创意地将该超高效蒸发系统应用于环境修复领域，模拟自然水循环，构建了太阳能驱动人工水循环（SAHC）系统用于修复钴污染土壤。
该系统将CDs-rGOA置于污染土壤上方，在太阳能驱动下，土壤中的水分（含洗脱剂和钴离子）被快速吸收并蒸发，蒸汽在顶棚冷凝后回流至土壤，形成一个封闭的“土壤-气凝胶-顶棚-土壤”循环。在此过程中，蒸发产生的强大拉力会驱动钴离子定向迁移并富集于CDs-rGOA中。
实验结果表明，仅需10小时，该体系就能有效去除土壤中60.1%的钴污染物，处理后的土壤达到安全标准，并且重金属被富集在气凝胶中，便于后续回收处理，真正实现了绿色、低耗、可持续的修复模式。
总结与展望
本工作成功开发了一种原位集成碳点策略，巧妙地打破了rGO材料光热性与亲水性之间的权衡关系，制备出的CDs-rGOA实现了超高的太阳能蒸汽产生速率和近乎极限的光热转换效率。
更值得关注的是，我们首次将超高效SIE技术与土壤修复相结合，构建了太阳能驱动的人工水循环（SAHC）系统，为重金属污染土壤的治理提供了一种绿色、低耗、可持续的新范式。该工作不仅为解决碳基光热材料的固有难题提供了新思路，也极大地拓展了SIE技术的应用边界，为实现“水-能-环境”的协同治理展示了广阔前景。
论文信息
Kill two birds with one stone: In-situ carbon dots-integrated rGO achieves ultra-efficient solar steam generation driving artificially hydrologic cycle towards soil remediation
DOI： 10.1016/j.cej.2025.167597
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