研究背景
伴随着人口快速增长与工业化进程加速，淡水短缺和能源危机日益成为严峻的全球性挑战。太阳能作为地球上储量最丰富、可再生的清洁能源，在光催化、光热转换等领域展现出广阔的应用前景。其中，界面太阳能蒸发技术可以将光吸收与热量产生精准定位于气-液界面，从而构建局域化的高温蒸发场、显著提升水蒸发效率。更值得关注的是，该策略可以与压电、摩擦电、热电等能量转换机制耦合，形成淡水与电力协同生产的混合系统。近年来，基于蒸发驱动的水伏技术发展迅速，其核心机制在于：纳米限域通道内的持续水蒸发诱发固-液界面双电层中离子的定向迁移，从而产生稳定的流动电势。在太阳能界面蒸发与水伏发电的集成领域，当前的核心挑战在于蒸发与发电的性能难以同时兼顾，根源在于两者对材料的结构与功能需求存在显著差异——蒸发过程偏好大孔结构以促进蒸汽逸出和光热局域，并兼具高光吸收与光热转换能力；而水伏发电则需要纳米限域孔道以实现快速水传输和离子筛分。单一材料体系难以同时满足上述跨尺度的结构与功能需求。基于此，本研究提出“模块化复合”设计策略，通过明胶-戊二醛交联网络将CAU-23与石墨烯锚定于棉织物表面，构建CAU-23/G复合蒸发器。该设计充分发挥CAU-23纳米限域离子通道与石墨烯优异光热转化性能的协同优势，在宏观上保障快速水补给与热局域化，在微观上提供有序离子筛分通道，从材料本源上化解了蒸发通量与发电效率之间的内在矛盾，实现了太阳能驱动的高效淡水-电力协同生产。同时，该研究从热局域、水活化以及离子选择性三个层面解释了优异性能产生的协同机制，为高性能水电联产器件的理性设计提供了参考。
成果介绍
华中科技大学龚江研究员团队提出了一种“模块化复合”的设计策略，通过将铝基MOF (CAU-23)与石墨烯经明胶-戊二醛交联网络锚定于棉织物表面，构建了CAU-23/G复合蒸发器，实现了太阳能界面蒸发与水伏发电的高效协同。CAU-23作为离子筛分与传输的核心功能单元，由AlCl3和NaAlO2为铝源、2,5-噻吩二甲酸二钠为有机配体，经100 °C回流6小时绿色合成，产率约90%。其孔径约0.6 nm，比表面积高达819 m2 g-1，骨架中丰富的μ-OH官能团赋予材料良好的亲水性和表面正电荷；石墨烯则作为光吸收与光热转化的功能单元，与CAU-23协同构筑了连续的跨尺度离子传输通道和高效的光热转换界面。该复合蒸发器在300~2500 nm宽谱带范围内吸光度超过99%，1 kW m-2辐照下，表面温度在2 min内迅速升至113.4 °C。在1 kW m-2辐照下，CAU-23/G蒸发器的蒸发速率达2.71 kg m-2 h-1，光热转换效率达99.6%，表观蒸发焓较体相水降低17.3%；同时输出稳定的0.53 V开路电压和9 µA短路电流。当辐照强度增至2 kW m-2时，蒸发速率提升至5.23 kg m-2 h-1，但电压输出因Soret效应引发的热泳迁移而下降至0.23 V，揭示了高热流密度下蒸发速率与电压输出之间的内在权衡。
该蒸发器在4次循环测试中电压保持稳定，两器件串联后充电电压可达0.82 V。机理研究揭示，蒸发驱动的定向水流通过CAU-23纳米通道时，骨架中μ-OH基团赋予通道壁面正电荷 (ζ电位+16.4 mV)，在固-液界面建立双电层；分子动力学模拟证实，Cl–沿铝醇链正静电势场获得低能垒传导路径 (扩散系数4.629×10-6 cm2 s-1)，而Na+被羧酸氧位点强锚定 (扩散系数仅3.634×10-6 cm2 s-1)，Cl–的显著不对称迁移在通道两端建立起稳定的蒸发诱导流动电势，实现了水蒸发与发电的协同耦合。户外实测中 (2025年7月，最大辐照0.79 kW m-2，环境温度39.8 °C)，系统产水速率达0.745 kg m-2 h-1，5小时累计产水2.86 kg m-2；收集淡水中Na+、Ca2+、K+和Mg2+浓度显著降低，总有机碳仅0.9 mg L-1，达WHO饮用水标准。该蒸发器成本仅 ¥ 11.58，可驱动小风扇、LED灯泡及电子屏幕，在海水、湖水、雨水、河水中均能产生稳定电压 (0.18~0.30 V)。
该成果以“Efficient Solar-Driven Interfacial Steam-Electricity Co-Generation by Modular Design of CAU-23/Graphene Hybrid Evaporator”为题发表于Carbon Energy期刊。
研究亮点
1.创新模块化复合设计：首次将铝基MOF (CAU-23)与石墨烯通过交联网络集成于棉织物，构建了兼顾光热蒸发与水伏发电的材料体系，有效调和了蒸发与发电所需复杂的材料结构与功能之间的矛盾。
2.卓越的综合性能：蒸发器在300~2500 nm宽谱带吸光度超过99%，1 kW m-2辐照下表面温度在2 min内升至113.4 °C，光热转换效率达99.6%。同步海水蒸发中，蒸发速率达2.71 kg m-2 h-1，较纯棉布提升163%，表观蒸发焓降低17.3%；同时输出0.53 V开路电压和9 µA短路电流，综合性能优于多数已报道的双功能蒸发器。
3.揭示蒸发驱动的水伏发电协同机理：在界面蒸发过程中，毛细力与蒸发流协同驱动离子溶液定向通过CAU-23纳米通道。骨架中μ-OH等官能团赋予通道壁面正电荷，在固-液界面建立双电层。分子动力学模拟证实：Cl–沿铝醇链正静电势场形成低能垒传导路径，蒸发驱动的定向水流加速Cl–迁移，与Na+形成显著不对称运动，从而在通道两端建立稳定的蒸发诱导流动电势，实现水蒸发与发电的耦合。
4.良好的实用性与稳定性：户外测试中，产水速率为0.745 kg m-2 h-1，5小时累计产水量为2.86 kg m-2；收集的淡水中Na+、Ca2+、K+和Mg2+浓度显著降低，达WHO饮用水标准。器件可驱动风扇、LED灯及电子屏幕，在海水、湖水、雨水和河水中均能稳定发电，实用前景广阔。
图文解析
图1 用于界面太阳能蒸汽和电力的协同生产的双功能CAU-23/G蒸发器的制备过程与机理示意图
图2 (A) 顺式和反式共角共享的AlO6八面体的形成CAU-23的无机结构单元。(B) 沿[010]方向投影的CAU-23完整结构。(C) XRD图谱，(D) SEM图像，(E和F) TEM图像，(G) EDX图像，(H) CAU-23的N2吸附-脱附等温线，以及(I)相应的孔径分布曲线。CAU-23的XPS谱图：(J) 全谱，(K) C 1s，(L) O 1s，(M) S 2p和 (N) Al 2p
图3 (A) 大尺寸的CAU-23/G蒸发器在卷曲和折叠前后的照片。(B) CAU-23/G蒸发器的SEM图像和(C) 应力-应变曲线。显示CAU-23/G蒸发器(D) 柔韧性和(E) 稳定性的照片。(F) 不同蒸发器的水接触角。(G) 棉布和CAU-23/G蒸发器的紫外-可见-近红外吸收光谱。(H) 表面温度图和(I) 干态下改性棉和CAU-23/G蒸发器的红外成像照片 (辐照强度为1 kW m-2)
图6 (A) 室外界面太阳能驱动淡水-电力协同生产装置的示意图和(B-D) 照片。(E) 辐照强度和温度随时间的变化。(F) 产水率和累积产水量随时间的变化。(G) CAU-23/G蒸发器的电压和电流。(H) LED灯泡、(I) 工作的风扇和(J) 显示“HUST”的电子屏幕由CAU-23/G蒸发器供电的照片
作者简介
龚江，博士，华中科技大学化学与化工学院研究员、博士生导师。研究方向为(1) 废塑料升级化学回收制备单体、碳材料和金属-有机框架(MOF)材料，(2) 绿色低成本MOF材料的研发、放大生产与应用，以及(3) 太阳能界面水蒸发与光催化、热电、水蒸发发电、海水提铀、提锂等集成应用。累计发表SCI论文197篇，被引用超过1.12万次，H因子62，21篇论文入选ESI高被引论文，获28项授权的中国专利，另申请34项专利。撰写专著《聚合物碳化反应及其应用》，科学出版社出版，入选”十三五”国家重点出版物出版规划项目高性能高分子材料丛书，获2023年国家科学技术学术著作出版基金资助。主持国家自然科学基金(青年和面上)和横向项目等16项。入选Scholar GPS全球前0.05%顶尖学者(2025)、斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单(2020、2023、2024和2025)，获IUPAC江教授新材料青年奖、湖北省海外高层次人才计划。担任Carbon Energy等15个期刊的青年编委，以及240个国际期刊的审稿人。指导学生获第十一届中国青年创青春大赛全国银奖(2024)、第二届”创青春”中国青年碳中和创新创业大赛全国银奖(2024)、第四届”创青春”中国青年碳中和创新创业大赛华中赛区金奖(2026)、中国”物流杯”2026年”创青春”湖北青年创新创业大赛(乡村振兴专项)银奖(第2名)。
相关论文信息
论文原文在线发表于Carbon Energy。
论文标题：
Efficient solar-driven interfacial steam-electricity co-generation by modular design of CAU-23/graphene hybrid evaporator
文章研究方向：
太阳能界面水蒸发，水伏发电，金属-有机框架(MOF)材料
论文网址：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70314
DOI: 10.1002/cey2.70314
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