SEP PURIF TECHNOL|集成CuS@MIL-100到纤维素水凝胶中用于协同海水淡化和光催化去污

研究背景

太阳能驱动的水蒸气产生被认为是从海水或废水源中提取饮用水的一种可持续且经济的技术。根据以往的研究，制备高性能太阳能蒸发器必须考虑的重要因素是高效的光热转换、稳定的供水和高效的热能管理。迄今为止，各种基质材料如薄膜、木质海绵、聚合物泡沫和水凝胶。而水凝胶已被用于界面太阳能蒸发。其中，基于水凝胶的蒸发器由于其充足的供水和突出的热能管理能力，具有成为高性能太阳能蒸发器的巨大潜力。然而，水凝胶蒸发器的传统材料通常是合成聚合物，如聚乙烯醇、丙烯酰胺和丙烯酸，这些材料很难再生和降解。因此，从生物基材料和可持续材料中研发蒸发器至关重要。可再生且地球上含量充足的纤维素被视为是极好的合成聚合物的替代品。纤维素具有低导热性和亲水性，可用于保温和输水。此外，纤维素基材料易于形成三维(3D)多孔结构，以增强水输运和耐盐性。除了太阳能海水淡化，太阳能蒸发器在废水处理方面也引起了极大的关注。废水污染的主要来源是印染、纺织和制药行业。然而，传统的太阳能蒸发器难以降解有机污染物，如抗菌药——四环素（出水浓度通常在0.8μg L -1 到 21.2 mg L -1之间)，因此，利用杂交纤维素水凝胶同时实现光热蒸发和光催化还原对于从不同水源中提取饮用水具有重要意义。CuS 是一种典型的半导体，具有广泛且强大的光吸收特性，广泛应用于太阳能蒸发和光催化废水修复中。MIL-100(Fe)是一种金属有机骨架，具有很强的配位键、稳定的骨架和优异的半导性能，可以增强太阳能吸收、催化性能和避免团聚。在此背景下，南京林业大学化学工程学院姚建峰教授团队制备了一种光催化剂(CuS@ MIL-100)修饰的新型纤维素水凝胶结构，用于协同海水淡化和光催化净化。这种复合水凝胶被用于高效的太阳能水蒸发和光催化降解有机污染物。

相关成果以“Integration of CuS@MIL-100 into cellulose hydrogel for synergistic seawater desalination and photocatalytic decontamination”为题发表在期刊《Separation and Purification Technology》（IF= 8.6，JCR一区，中科院一区TOP）上。

研究结论

研究人员通过将光催化剂沉积到纤维素基质中，构建了水凝胶太阳能蒸发器。光催化剂由硫化铜(CuS)和铁基金属有机骨架(MIL-100(Fe))组成，CuS颗粒负载在MIL-100(Fe)上。通过将CuS@MIL-100 复合材料与纤维素水凝胶结合，可以得到水凝胶太阳能蒸发器。最优蒸发器的蒸发速率为2.37 kg m -2 h -1，蒸发效率为94.4%。此外，复合水凝胶可以通过耦合光热效应和光催化降解从废水中产生清洁水。复合水凝胶对亚甲基蓝(一种典型的染料污染物)的光催化降解效率为97.3%，对四环素(一种典型的抗生素)的光催化降解效率为93.3%。这项工作为下一代太阳能水净化系统的设计和制造提供了思路。

主要数据

图1. (a)太阳能蒸发器的制备原理图，(b)基于水凝胶太阳能蒸发器的太阳能光热蒸发和光催化同时进行的示意图

图2. (a)CuS、 CuS @MIL-100和MIL-100的XRD图，(b) CuS @ MIL-100杂化体的SEM图。(c) Gel-CM-0和Gel- CM-20的XRD图和(d) FT-IR光谱。(e)测量扫描、(f) CuS @MIL-100和Gel-CM-20的Cu 2p和(e) Fe 2p的XPS谱。(h) Gel-CM-0和(i) Gel-CM-20的SEM图像(Gel-CM样品冷冻干燥，用于XRD、SEM和FT-IR分析)

图3. (a) Gel-CMs的太阳能吸收光谱。(b) Gel-CMs的表面温度分布图。(c) Gel-CM-20的红外辐射图像。(d) 60min 内水的质量变化。(f)不同纤维素水凝胶的水蒸发焓。(e) Gel-CMs的蒸发

图4. (a)不同盐度NaCl盐水对Gel-CM-20中水的质量随时间损失的情况。（b）不同盐度NaCl盐水对Gel-CM-20蒸发性能的影响。(c)3.5 wt% NaCl盐水在Gel-CM-20上的太阳盐水蒸发长时间试验。(d)模拟海水和太阳蒸发后收集的水的离子浓度

图5. (a)利用Gel-CM-20水凝胶光催化降解有机污染物。(b) Gel-CM-20水凝胶对MB的光催化降解(光催化前后残留MB溶液，见b) (c) Gel-CM-20水凝胶对TC的光催化降解。(d)原始MB/TC溶液和相应蒸发水的紫外-可见吸收光谱

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125971

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