全球水污染问题日益严重，极大地威胁着人类健康和社会的可持续发展。获取来自各种受污染水源的清洁水变得至关重要，但同时也极具挑战性。由光热材料辅助的太阳能驱动蒸发为通过隔离重金属离子和有机污染物收集清洁水提供了有前途的解决方案。作为一种环保方法，太阳能蒸馏在解决淡水短缺问题方面正日益受到关注。
最近，由国立教育学院/南洋理工大学洪辉祥(Edison H. Ang)教授和江苏科技大学杨福教授领导的团队在期刊《Materials Horizons》上发表了最新研究成果。该研究题为《Monolith floatable dual-function solar photothermal evaporator: efficient clean water regeneration synergizing with pollutant degradation》。在这项研究中，研究者通过电纺丝和控制石墨化过程，将纳米级CuFe2O4和等离子体Cu原位限域在石墨多孔碳纳米纤维（CNF）中，并通过钙离子触发的网络交联法使用海藻酸钠（SA）将其集成到三聚氰胺海绵（S-FeCu/CNF）上，形成单体蒸发器。该单体蒸发器具有双重功能：利用太阳能驱动的光热能量进行水再生，并通过高级氧化工艺（AOPs）同步促进污染物矿化。
金属改性后的FeCu/CNF石墨多孔碳表现出增强的光吸收特性（Z95%），并通过钙离子触发的海藻酸钠（SA）交联技术牢固地固定在海绵上，从而有效抑制了盐沉积。FeCu/CNF蒸发器在一个太阳辐照下表现出完美的太阳能蒸汽转换效率，蒸发率为1.61 kg/m²/h。单体S-FeCu/CNF蒸发器的蒸发率接近1.76 kg/m²/h，即使在20% NaCl溶液中，仍能达到1.54 kg/m²/h的蒸发率，且具有抗盐沉积和循环稳定性。同时，单体D-S-FeCu/CNF蒸发器还可作为异相催化剂，激活过氧单硫酸盐（PMS），触发快速污染物降解，并表现出优异的催化循环稳定性，生产的清洁水符合世界卫生组织（WHO）标准。这项工作为解决海水淡化和废水处理提供了一种具有潜在价值的解决方案。
图1：FeCu/CNF@3纳米复合材料和S-FeCu/CNF的合成步骤示意图。
S-FeCu/CNF复合材料的制备过程如图1所示。最初，将不同质量比的前体盐与PAN聚合物混合，制成粘稠的纺丝溶液，然后进行电纺丝以生成纳米纤维。随后，通过在700°C下对FeCu等离子体颗粒进行碳化，生成了FeCu/CNF样品，这些颗粒既在钙化的碳纳米纤维（CNF）框架内也在其周围。在这项研究中，采用了一种独特的策略，即将铁前体引入到合成的纤维聚合物中，作为活化剂来构建活性碳纤维的多孔结构，从而有利于污染物和水的质量传递和扩散。在随后的阶段，将所得的FeCu/CNF巧妙地与海藻酸钠结合，制成含FeCu/CNF的溶液，然后将其涂覆在海绵表面，制成了光热蒸发器（S-FeCu/CNF）。
图2：(a) 太阳能蒸发性能评估；(b) 水蒸发速率；(c) 在一个太阳辐照下水面蒸发过程中的表面温度波动；(d) 在一个太阳辐照下，含有不同光热材料（PM）负载量的S-FeCu/CNF海绵在空气中的表面温度波动；(e) 红外热像分析显示在一个太阳辐照下，S-FeCu/CNF-40样品在水面上的表面温度变化。
图2a至2e展示了S-FeCu/CNF蒸发器的界面太阳能蒸发性能，利用废聚乙烯泡沫（PE泡沫）将蒸发器与水隔离，从而减少热量损失。样品根据添加的FeCu/CNF@3光热材料的量（从10至50 mg不等）被标记为S-FeCu/CNF-10、S-FeCu/CNF-20、S-FeCu/CNF-30、S-FeCu/CNF-40和S-FeCu/CNF-50。其中，S-FeCu/CNF-40在一个太阳辐照下表现出最高的蒸发速率，为1.76 kg/m²/h，显著高于纯水的0.66 kg/m²/h。这一优异性能归因于其有效的热绝缘设计。水接触角测试显示，所有测试材料的接触角均为0°，表明其超亲水性，促进了水的快速移动和盐的排水。此外，S-FeCu/CNF-40蒸发器的表面温度在20分钟内从18.5°C升高至38.5°C，红外成像显示其在样品中保持最低的蒸发温度，因其高蒸汽通量能够有效散热。相比之下，其他蒸发器如2D FeCu/CNF@3膜则达到更高的温度。这些结果凸显了S-FeCu/CNF-40蒸发器在光热转换能力上的优越性。
图3：(a) MB（亚甲基蓝）降解效率的示意图。反应条件： [MB] = 20 mg/L, [PMS] = 0.049 mM。(b) 在不同浓度下使用D-S-FeCu/CNF蒸发器在一个太阳辐射下的MB降解效率。反应条件：[PMS] = 0.049 mM。(c) 展示简单降解装置的光学图像。吸收光谱突显了初始溶液和D-S-FeCu/CNF蒸发器生成的蒸汽中各种有机污染物的凝聚形式： (d) MB，(e) CR，(f) RB，(g) MO，(h) TC，和 (i) OTC。
图4：(a) 紧凑型界面蒸发装置的视觉表示。(b) 时间演变曲线展示了S-FeCu/CNF-4界面蒸发装置在不同自然户外太阳辐射水平下蒸发速率的变化。(c) 太阳辅助海水淡化过程前后金属离子浓度的变化检测。(d) 大规模蒸发器的组装过程的照片展示。
在没有PMS的情况下（图3a），D-S-FeCu/CNF蒸发器仅实现了9%的美蓝（MB）去除率，这可能与吸附行为有关。然而，在添加PMS后，降解效率显著提高，在不同的太阳辐射强度（0.5–2 kW m²）下达到了80%至99%，其中较高的辐射强度进一步增强了催化活性（图3b）。蒸发器在MB浓度为5 mg L⁻¹时，25分钟内达到98%的降解效率，即使在更高浓度下也保持了高降解率（图3c）。此外，D-S-FeCu/CNF蒸发器在模拟废水中有效去除了包括MB、红色刚果、玫瑰红、甲基橙、四环素和土霉素在内的各种污染物（图3d–i）。在户外水净化测试中，蒸发器每平方米生产了16.63公斤新鲜水，蒸发率为1.85公斤每平方米每小时，并实现了超过99.9%的离子去除效率，展示了其可扩展性和实际应用潜力（图4）。
论文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d4mh00285g/unauth
人物简介：
洪辉祥（Edison Huixiang Ang）博士，现任国立教育学院/南洋理工大学助理教授，同时担任《eScience》、《Carbon Energy》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Energy Chemistry》、《Energy & Environmental Materials》和《Materials Horizons》的编辑委员会成员，并担任《Scientific Reports》和《Frontiers in Chemistry》的副主编。他曾获得包括国际电化学学会-爱思唯尔应用电化学奖、PIERS青年科学家奖、AIChE SLS青年教职工奖、NIE/NTU研究卓越奖、SNIC早期职业研究奖以及Sabic青年专业人士奖等荣誉。他的研究领域融合了纳米技术、二维纳米材料和增材制造，推动了能源储存、膜技术、催化和传感应用的进展。
个人网站: https://www.edisonangsg.com/
杨福博士在南京工业大学获得博士学位，期间与孔岩教授合作。在此期间，他还作为中国国家留学基金委员会（CSC）交换生，与新加坡国立大学（NUS）的颜宁教授合作。他目前是江苏科技大学的副教授。他的研究重点是分子筛催化剂和纳米结构功能复合材料，特别是在异相选择性催化反应和气体吸附分离方面。
