层状MoS2/Ti3C2Tx异质结光热转换材料用于太阳能驱动水蒸发

doi:10.1016/j.actphy.2025.100053

物理化学学报 >> 2025, Vol. 41 >> Issue (6): 100053.doi: 10.1016/j.actphy.2025.100053

层状MoS₂/Ti₃C₂T_x异质结光热转换材料用于太阳能驱动水蒸发

荣坤¹, 温翠莲¹^,*(), 闻健森¹, 李雄¹, 廖秋刚¹, 鄢思情¹, 许超³, 张晓亮²^,*(), 萨百晟¹^,*(), 孙志梅²^,*()

¹ 福州大学材料科学与工程学院, 材料基因工程研究所, 福州 350100
² 北京航空航天大学材料科学与工程学院, 北京 100191
³ 厦门捌斗新材料科技有限公司, 福建厦门 361015

收稿日期:2024-11-26 修回日期:2025-01-07 录用日期:2025-01-21 发布日期:2025-04-19
通讯作者: Email: clwen@fzu.edu.cn (温翠莲)xiaoliang.zhang@buaa.edu.cn (张晓亮)bssa@fzu.edu.cn (萨百晟)zmsun@buaa.edu.cn (孙志梅)
基金资助:
国家重点研发计划(2022YFB3807200); 国家自然科学基金(52332005); 福建省自然科学基金(2024J01262)

Hierarchical MoS₂/Ti₃C₂T_x heterostructure with excellent photothermal conversion performance for solar-driven vapor generation

Kun Rong¹, Cuilian Wen¹^,*(), Jiansen Wen¹, Xiong Li¹, Qiugang Liao¹, Siqing Yan¹, Chao Xu³, Xiaoliang Zhang²^,*(), Baisheng Sa¹^,*(), Zhimei Sun²^,*()

¹ Materials Genome Institute, School of Materials Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350100, Fujian Province, China
² School of Materials Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China
³ Xiamen Talentmats New Materials Science & Technology Co., Ltd., Xiamen 361015, Fujian Province, China

Received:2024-11-26 Revised:2025-01-07 Accepted:2025-01-21 Published:2025-04-19
Contact: Email: clwen@fzu.edu.cn (Cuilian Wen)xiaoliang.zhang@buaa.edu.cn (Xiaoliang Zhang)bssa@fzu.edu.cn (Baisheng Sa)zmsun@buaa.edu.cn (Zhimei Sun)
Supported by:
the National Key Research and Development Program of China(2022YFB3807200); the National Natural Science Foundation of China(52332005); the Natural Science Foundation of Fujian Province(2024J01262)

1. ACTPHY-2025.100053-SI-8p.pdf(2953KB)

摘要/Abstract

摘要：

金属1T相二硫化物(1T-MoS₂)具有优异的全光谱吸收能力和电导率，与Ti₃C₂T_x MXene结合将有潜力用于光热转换应用。然而，在MoS₂/Ti₃C₂T_x异质结中提高1T-MoS₂的比例，以及深入理解其形成和性能调控机制还面临挑战。本研究通过理论预测与实验研究相结合的方法，揭示了具有金属特性的Ti₃C₂T_x和1T-MoS₂可以通过强烈的层间相互作用和高效的电子传输显著提高光热转化性能。通过一步水热法制备了层状MoS₂/Ti₃C₂T_x异质结，成功增加了1T-MoS₂的比例，并实现了在Ti₃C₂T_x纳米片上原位生长MoS₂形成多层皱褶的异质结结构。值得注意的是，在功率为0.5 W·cm⁻²的808 nm激光照射下，MoS₂/Ti₃C₂T_x异质结可以达到107 ℃的饱和温度，证明了其具备优异的光热转换能力。此外，将异质结与聚偏二氟乙烯(PVDF)膜结合，构建了一种高效的自浮式水蒸发装置。在模拟一个太阳光照射条件下，能够获得1.79 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发速率和96.4%的蒸发效率。本研究不仅为开发具有高效光热转换性能的MoS₂/Ti₃C₂T_x异质结提供了新策略，而且为可持续太阳能驱动光热水蒸发技术的应用开辟了广阔的前景。

关键词: MXene, 二硫化钼, 异质结, 光热转化, 太阳能驱动水蒸发

Abstract:

Metallic 1T Molybdenum disulfide (1T-MoS₂) exhibits enhanced full spectral light absorption and prominent electrical conductivity, making it ideal for photothermal applications in conjunction with Ti₃C₂T_x MXene. Despite the challenges in increasing the 1T-MoS₂ proportion within MoS₂/Ti₃C₂T_x heterostructures and the incomplete understanding of the mechanisms governing their formation and properties, herein, a combined theoretical and experimental framework has been established, suggesting that the metallic characteristics of Ti₃C₂T_x and 1T-MoS₂ could significantly improve photothermal performance through strong interlayer interactions and efficient electron transport. The hierarchical MoS₂/Ti₃C₂T_x heterostructure has been fabricated through a one-step hydrothermal synthesis method with enhanced 1T-MoS₂ proportion, which achieves multilayered wrinkled architecture resulting from the in-situ growth of MoS₂ on Ti₃C₂T_x nanosheets. Notably, a remarkable peak photoheating temperature of 107 ℃ under an 808 nm laser with an intensity of 0.5 W·cm⁻² is realized, demonstrating its exceptional photothermal conversion capability. By incorporated into a polyvinylidene difluoride membrane, the MoS₂/Ti₃C₂T_x heterostructure functions as an efficient self-floating solar-driven steam generator, reaching an evaporation rate of 1.79 kg·m⁻²·h⁻¹ and an evaporation efficiency of 96.4% under one solar irradiance. This study proposes a versatile strategy for the MoS₂/Ti₃C₂T_x heterostructure, offering the potential for sustainable solar-driven vapor generation technologies.

Key words: MXene, Molybdenum disulfide, Heterostructure, Photothermal conversion, Solar-driven vapor generation

荣坤, 温翠莲, 闻健森, 李雄, 廖秋刚, 鄢思情, 许超, 张晓亮, 萨百晟, 孙志梅. 层状MoS₂/Ti₃C₂T_x异质结光热转换材料用于太阳能驱动水蒸发[J]. 物理化学学报, 2025, 41(6), 100053. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100053

Kun Rong, Cuilian Wen, Jiansen Wen, Xiong Li, Qiugang Liao, Siqing Yan, Chao Xu, Xiaoliang Zhang, Baisheng Sa, Zhimei Sun. Hierarchical MoS₂/Ti₃C₂T_x heterostructure with excellent photothermal conversion performance for solar-driven vapor generation[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2025, 41(6), 100053. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100053

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.1016/j.actphy.2025.100053

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2025/V41/I6/100053

图/表 6

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层状MoS₂/Ti₃C₂T_x异质结光热转换材料用于太阳能驱动水蒸发

Hierarchical MoS₂/Ti₃C₂T_x heterostructure with excellent photothermal conversion performance for solar-driven vapor generation

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