能够快速交联MoS2光热层及其用于海水淡化和环境优化的界面蒸发器的组装

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研究背景

随着人口的不断增长、工业化和信息技术的进步，能源和水供应的短缺已成为全球性的危机。据统计，世界上 2/3 的人口经历过缺水。然而，地球表面 97% 的可用水是不可饮用的 。太阳能海水淡化技术不需要化石能源输入，而是依靠清洁的太阳能来生产清洁的水，引起了研究人员的广泛关注 。Zhao等利用海藻酸钠、单宁酸和吡咯，通过真空过滤和离子交联合成了具有双层结构的水凝胶蒸发器。然后，通过引入浓盐水排水系统和拱形设计，制备了具有高效输水和耐盐性的太阳能蒸发器。蒸发器的蒸发速率为 2.70 kg•m−2•h−1，适用于长期稳定的海水淡化。然而，制备过程使用真空过滤和冷冻干燥技术反复进行，并持续长达 24 小时。同时，源自污水的可溶性染料并未被去除，传统蒸发器中存在含油污水带来了新的挑战。Cui 等人通过发泡聚合制备了一种基于水滑石的多孔复合水凝胶 。水凝胶通过引入羟基化碳纳米管和层状双氢氧化物形成三维连接的多级孔结构，显著提高了光吸收能力和力学性能。它的超亲水性和水下疏油性使其能够有效地分离油水混合物。通过相分离、溶剂交换和脱乙酰反应，Yang 等人用醋酸纤维素、碳纳米管和氧化铝纤维合成了纤维蒸发器。合成在 1.2 h 内完成。蒸发器表面丰富的亲水基团使表面形成稳定的水膜，从而阻止油相进入。水包油乳液的分离是通过其超亲水性和水下超疏油性实现的。

理想的太阳能界面蒸发器应同时具有蒸汽产生能力和去除不同特性污染物的能力。水凝胶是一类具有亲水网络结构的交联聚合物，丰富的中间水有利于降低蒸发焓。Gao等人通过交联16 h和在聚乙烯醇溶液中浸泡2 h来调节海绵骨架上水凝胶的分布和厚度。采用三维蒸发策略，有效避免孔隙堵塞，将太阳蒸气生成速率提高至 2.65 kg•m−2•h−1。蒸发器的制备是为了显着降低蒸发焓，影响水凝胶交联时间的主要因素包括交联方法（化学或物理）、交联剂的类型和浓度、反应条件（例如温度、pH 值、光）以及材料本身的化学结构。化学交联通常需要更少的时间，而物理交联容易受到环境变化的影响并且不太稳定。功能性添加剂的引入可以进一步调节交联过程中的动力学性能，进一步缩短交联时间，这将直接关系到水凝胶的机械强度、孔隙率和长期稳定性。根据现有文献，Chen等制备了一种蒸发器，该蒸发器以呼吸映射技术制备的多孔膜为基材，氟化CS颗粒为光热层，膜的下层以水凝胶为亲水支撑层。蒸发器的蒸发速率为 1.75 kg•m−2•h−1依靠膜上丰富的孔隙结构和良好的光吸收。Hamid等使用纤维素纳米晶体和聚吡咯作为光热材料制备了一种海藻酸钠水凝胶，该水凝胶具有优异的耐盐性、硬度和令人印象深刻的污染物控制能力。蒸发速率达到 1.47 kg•m−2•h−1。

研究者们将MoS2用作光热转换材料，在可见光和红外区域具有理想的吸收能力，其层状纳米结构增加了比表面积，从而进一步增强了光热转换能力。因此，MoS2被选为光热转换的材料。

研究者们以三聚氰胺海绵为骨架，以四亚甲基二胺为促进剂。MoS2 的交联时间 <20 秒。为了确保蒸发器漂浮并去除污染物，设计了一个超疏水固定层，其中包含硬脂酸锌和钨酸铋。水滴在浮层表面的接触角为 160.3°。组装的界面蒸发器的蒸发速率达到 1.667 kg•m−2•h−1，其中浮层不仅具有选择性吸附浮油的能力，而且还具有使用乙醇降解染料的能力。通过比较实验，说明了h在降解过程中的活性状态。实现了清洁水生产和污水处理。

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主要数据

图 1. 硬脂酸锌的合成（a）、表面形态（b、c）、TEM（d）和元素分布（e）、硬脂酸和硬脂酸锌的傅立叶变换红外光谱（f）、硬脂酸锌的润湿性能（g）。

图 2. 各种基底的润湿性（a）、超疏水织物（b）、帆布（c）和毛毡（d）的 FESEM 图像、超疏水帆布的粗糙度（e）和 XPS（f-i）分析、超疏水基底的油水分离（j）、水滴附着（k）和机械（l）稳定性测试。

图 3.选择性除油的机理模型。

图 4.钨酸铋的合成 （a）、钨酸铋表面形貌 （b）、TEM 数据 （c、d） 和 XRD 结构 （e） 分析。分析超疏水底物的降解 （f） 和反应动力学 （g） 系数。

图 5.N2钨酸铋和硬脂酸锌的吸附-脱附等温线 （A），催化剂复合材料的光响应能力 （B）。钨酸铋 （c） 、表面元素 （d） 和 Mott-Schottky 曲线分析 （e） 的能带结构模拟。光降解机制图 （f）。

图 6.复合水凝胶的合成 （a）.纯 MoS 的形态2（b）、三聚氰胺海绵 （c） 和复合水凝胶与 MoS2含量为 0 g （d）、0.1 g （e）、0.2 g （f） 和 0.3 g （g）。MoS 复合水凝胶的元素含量和分布2含量为 0.3 克（h）。对具有 MoS 的复合水凝胶的界面蒸发速率 （i） 和应力-应变曲线进行的比较实验2含量为 0.3 克 （j）。

图 7.水凝胶蒸发器的交联反应和结构示意图。

图 8.界面蒸发器对含有 Rh B （a）、金属离子 （b） 的废水具有净化能力。界面蒸发器的盐抑制 （c） 和溶解 （d） 特性。

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研究结论

该研究开发的 MoS2-丙烯酰胺水凝胶蒸发器的蒸发速率达到 1.667 kg•m-2•h-1，可有效抑制海水中盐分的结晶，在净化含金属离子的污水方面具有很高的功效。海绵骨架的存在确保了蒸发器的机械稳定性，在四甲基乙二胺的存在下，交联时间缩短至小于 20 秒。此外，由硬脂酸锌和钨酸铋构建的超疏水固定层还具有吸附浮油和降解可溶性污染物的能力。通过 DRS、XPS 和 Mott-Schottky 分析，阐明了钨酸铋价带和导带的位置。研究的结果有望推动界面蒸发器从实验室走向实际生产。

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916425002425