蒸发材料0518丨哈尔滨师范大学SPT论文：光催化辅助太阳能驱动界面水蒸发：原理、进展与趋势

2025年7月，《Separation and Purification Technology》期刊在线发表了题为“Photocatalysis assisted solar-driven interfacial water evaporation: principles, advances and trends”的研究性论文。哈尔滨师范大学Dongxue Wang为论文第一作者，曲凤玉，郭伟和杨卓然共同为论文通讯作者。《Separation and Purification Technology》期刊2024年影响因子为8.3，是一本致力于传播化学和环境工程中均相溶液和非均相混合物分离和净化新方法的杂志。这包括液体、蒸汽和气体的任何分离和/或纯化，资源回收，生物基原料/产品的纯化，碳捕获和分离。

第一作者：Dongxue Wang

通讯作者：曲凤玉，郭伟和杨卓然

通讯单位：哈尔滨师范大学

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.130975.

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人口增长和气候变化导致的水污染复杂且严重，是全球面临的重大挑战。太阳能驱动界面水分蒸发（SDIE）技术结合光催化提供了一种绿色、可持续且高效的清洁水生产方式。本文综述了近期关于光催化辅助SDIE的研究进展，重点探讨了光催化和光热机制及其协同效应。详细讨论了多种光催化剂，包括金属氧化物（MOs）、金属硫化物或其他基于金属的光催化剂（MS或MX2）、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）、石墨碳氮化物（g-C3N4）以及过渡金属碳化物和氮化物（MXenes），强调了它们的结构特性、工作原理及集成到蒸发器中的性能优势。此外，这些技术在废水处理和绿色能源开发等领域的实际应用也得到了探讨，突显了它们在环境保护和能源发展方面的潜力。具体而言，我们考察了作为Janus结构的光催化水蒸发器、气凝胶、水凝胶和泡沫结构，并讨论了它们的独特优势和挑战。进一步地，探讨了利用光催化生成过氧化氢（过氧化氢）、分解和氨（氨）转化在SDIE过程中的潜力，强调了该技术的多功能性和潜在价值。持续的研究和光催化辅助SDIE技术的进步将在环境保护和能源发展中展现出巨大的潜力。未来，我们期待通过多学科合作克服现有技术挑战，使太阳能光催化界面水蒸发技术在全球水资源危机中发挥更大的作用。

全球水资源危机、传统水处理技术的局限性以及光催化技术面临的挑战展开。随着全球气候变化和人口增长，水资源短缺和水污染问题日益严重，而现有的水处理技术如反渗透、多效蒸馏等存在能耗高、操作复杂且难以有效处理高毒性污染物的问题。光催化技术虽然具有绿色环保的优点，但在实际应用中仍面临光能利用率低和催化剂回收成本高等挑战。为了应对这些挑战，研究提出了结合光催化与太阳能驱动界面水蒸发（SDIE）技术的动机。SDIE技术利用太阳能进行水蒸发，具有绿色环保和低碳排放的优点。通过将光催化技术引入SDIE过程，旨在通过直接光催化解决水污染问题，从而提高水蒸发效率和确保可持续能源利用。研究的重要性体现在环境保护与能源发展方面。光催化辅助的SDIE技术在废水处理和绿色能源开发领域具有巨大潜力，不仅有助于解决水资源短缺问题，还能推动环境保护和能源可持续发展。此外，通过设计具有光催化功能的水蒸发系统，可以显著提高蒸发效率并解决单一系统中的常见问题，为整个系统的性能和稳定性提供保障。该领域的发展趋势包括新型光催化材料的开发、蒸发器结构的创新以及多功能应用的拓展。研究人员正在不断探索具有优异性能的新型光催化剂，如金属氧化物、金属硫化物等，并尝试各种新型蒸发器结构以提高光热转换效率和光催化性能。同时，光催化辅助的SDIE技术还有望在光催化过氧化氢生成、分解以及氨转化等领域发挥重要作用，进一步拓展其应用范围。

文章系统地综述了光催化辅助太阳能驱动界面水蒸发（SDIE）技术的最新研究进展，通过光催化与光热机制的协同作用，实现了高效的水蒸发和净化。详细讨论了多种具有光催化特性的水蒸发器，如Janus结构、气凝胶、水凝胶和泡沫结构等，这些设计不仅提高了水蒸发效率，还赋予了蒸发器自清洁、抗菌等多种功能。

介绍了多种新型光催化剂，如金属氧化物（MOs）、金属硫化物（MS或MX2）、金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）、石墨相氮化碳（g-C3N4）和过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）等，这些材料在SDIE技术中展现出优异的性能。

图1.光催化辅助太阳能驱动界面水蒸发示意图。

图2.光热转换机制。（a-c）半导体的非辐射弛豫机制（d-f）碳基材料的分子热振动（g-i）局域表面等离子体共振。

3.a-c）光催化机制；(a)有机染料的光催化降解(b)重金属铁的光催化降解(c)光催化消毒机制（d-g）光热光催化协同机制；光热和催化降解的协同作用，实现水蒸发和酚类降解的同时进行(e)光催化光热协同水修复(f)光热辅助光催化在Co3O4@ZnIn2S4S型异质结上的机制图(g)光热辅助光催化在Co3O4/CNNVs S型异质结纳米反应器上的机制图

4.使用不同光催化剂的蒸发器的分类和应用示意图。

5.(a)Au@TiO2核壳纳米颗粒的扫描电子显微镜图像。(b)核壳Au@TiO2纳米颗粒薄膜的照片。(d)MoSe2纳米颗粒的扫描电子显微镜图像。(e)Co-MOF纳米棒的扫描电子显微镜图像。(f)a1）大尺寸柔性Co-MOF/CNT膜的照片，（a2）折叠或（a3）卷曲膜的照片，（a4）由Co-MOF/CNT膜编织的起重机照片。(g)DBD-BTTHDBD-BTT的合成。(h)BHMS制备方法的示意图。(i)rGCPP的数字照片，PU海绵的扫描电子显微镜图像。(j)rGCPP制备过程的示意图。(k)MXene纳米片的剥离和刻蚀过程。(l)分层Ti3C2TMXene）的扫描电子显微镜图像。

6.(a)Janus水凝胶（JH）的结构示意图及其相应的SSG机制。（THL表示顶层，BHL是底层）。(b)JH的照片。(c)水凝胶的蒸发速率和能量效率。透析前后的溶液颜色对比及trypan blueCongo red的降解率。(e)PDA和二氧化钛协同光催化降解机制示意图。(f)自浮NC@CNF/PP Janus膜的照片。(g)使用自浮NC@CNF/PP Janus膜进行Mo光降解的光降解机制示意图。(h)开发的自浮NC@CNF/PP Janus膜在Mo光降解过程中的TOC去除效率。

图7.(a)c-GPP气凝胶的合成过程。(b)rGO、GP、c-GPP、i-GPP的光捕获效率。(c)cGPP在不同水环境中单日下的光热转换效率。(d)c-GPP通过光催化和光热蒸发去除有机污染物的效率。(e)通过非局域化密度泛函理论（NLDFT）模型获得的GR/PPy气凝胶的孔径分布。(f)不同蒸发器在1.0太阳辐照下的水分蒸发量。(g)RhB在不同反应时间下的UV-Vis曲线。

图8. (a)基于水凝胶太阳能蒸发器的同步太阳光热蒸发和光催化过程示意图。(b)60 min中水的质量变化。(c)凝胶-CM-20水凝胶对MB的光催化降解（光催化前后的残留MB溶液，见图c插图）。(d)MAP水凝胶膜膨胀过程的示意图。(e)钨烯@卟啉系统电荷密度差图的投影视图和侧视图。黄色和蓝色区域表示电子积累和耗尽的等值面。(f)通过Hy-P-CW的选择性渗透蒸发过程。(g)P-W、Hy-P-W、P-CW和Hy-P-CW的相应氢气生成速率。(h)CdS/MoSe2异质结中的能带结构和载流子传输路径示意图。

图9.(a)3D铜泡沫制备流程图，其中包含核心-壳层氧化铜/PDA@TA-Fe3+纳米线阵列。(b)不同系统在模拟阳光下的水分蒸发速率和蒸发效率。(c)3-CPTF在1.0太阳光照射下的循环性能。(d)3-CPTF的自脱盐性能示意图。(e)TNA@Ti、黑TNA@Ti和CDs/黑TNA@Ti的制备过程示意图。(f)光致褪色、TNA@Ti、黑TNA-300@Ti和黑CDs-20/TNA-300@Ti对罗丹明B降解的光催化性能。(g)在光照下观察到的TNA@Ti、黑TNA-300@Ti和CDs-20/黑TNA-300@Ti中对苯二甲酸溶液的荧光光谱变化。(h)20次循环实验后CDs-20/黑NA-300@Ti的透射电镜图像。

图10. (a)自然松果的三维多孔结构示意图，包括果轴和鳞片，以及用于太阳能热蒸发水和光催化降解污染物的HPM装置的制备。(b)HPM在太阳光照射下太阳能热和光催化机制的示意图。(c)甲基橙溶液和(d)亚甲蓝溶液在1sun光照下经HPM装置处理前后的吸收光谱。插图是净化前后溶液的数字图片。(e)各种污染物水凝胶的蒸发性能。(f)水分子和苯酚在水凝胶中结合的一线原理模拟。(g)不同水凝胶中水分子和苯酚带能的一线原理模拟。

图11.(a)中Cr（VI）的降解速率(b)不同蒸发器对应的降解效率和反应动力学常数。(c)光催化-光热效应协同作用于MXene膜以回收Ag+离子并去除RhB的示意图。(d)PVA、PCH-1和PCH-5的蒸发速率和转化效率(e)天然光照射前后金黄色葡萄球菌的代表性菌落。(g)模拟海水、GM、GMW-1、GMW-2、GMW-3、GMW-4和GMW-5在单日光照（1 kW.m-2）)下随时间变化的水分质量变化(h)单日光照下的可能抗菌机制(i)蒸发前大肠杆菌在储备液中的生长情况，蒸馏水有/无GMW-3复合材料，蒸发24小时后的结果。

图12. (a)显示用镊子夹持的SVG-PC片材的顶部和侧面视图的照片（光活性面积为1×1 cm2）。(b)H2生成的PC负载优化（单位mmol gcat−1h−1表示每克催化剂每小时的mmol。）红色数据对应于H2和STH。(c)SVG基底和SVG-PC片材的太阳能蒸汽生成率和太阳能热转换效率。使用纯水在AM1.5G光照下分别进行了22小时和4小时的光催化和太阳能蒸汽生成测量。(d)使用玻璃-PC、未处理的SVG-PC和SVG-PC片材从纯水（上）和海水（下）中长期生成H2。每个循环在AM1.5G辐照下进行22小时的光催化测量。每次循环前，反应器用N2/CH4吹扫15 min。(e)层次Ti3C2/BiVO4微胶囊的示意图，用于增强太阳能驱动的水分蒸发和光催化H2生成活性。(f)Ti3C2（0µmol）、BiVO4(1.50 ± 0.08µmol）和Ti3C2/BiVO4(9.37±0.11µmol）微胶囊在三乙醇胺溶液中的氢气生成。

图13. (a)三种COFs的电子能带结构。(b)不同反应条件下H2O2在三种COFs上的光合作用。(c)Bpy-TAPT光催化过氧化氢生成机制。(d)Co-CN@G合成过程示意图。(e)Co-CN@G的时间依赖性H2O2光合性能。(f)在模拟海水系统中，H2O2在10小时后在不同金属阳离子(W/ O)不存在下的光合特性。(g)Co-CN@G在不同光照强度下存在DMPO时

的.O2-、.OH。(h)光热-光催化体系中H2O2合成机制。

图14. (a)在不同TiO2光催化剂存在下，照射6小时后，氨光催化氧化产物的氨转化率XNH3和选择性SY（Y = NO2-、NO3-和N2）在0.1 g/L空气鼓泡条件下。(b)氨、亚硝酸盐和硝酸盐离子浓度示例。(c)石棉纳米片的扫描电子显微镜图像(d)光强度对TiO2/石棉氨降解的影响(e)氨转化率和N2选择性对α-MnO2、g-C3N4、Ag3PO4、P25、TiO2-001的影响，模拟太阳光照射(f)氨转化率和N2选择性对隐色黑的波长(g)隐色黑上NH3光热催化和热催化氧化过程的机理。

全球人口的持续增长和频繁的经济活动导致了对水资源需求的不断增加，而可用的水资源却在逐渐减少。这一问题已成为全球性的挑战。太阳能作为一种清洁且可再生的能源，已成为缓解水资源压力的重要手段。光催化辅助界面水蒸发技术巧妙地利用了太阳能。通过光催化过程，不仅有效净化水质，还能实现高效的水分蒸发，最终生成清洁能源，如氢气。这一过程既环保又高效，高度契合全球节能减排战略，在推动绿色能源发展方面发挥着关键作用。随着材料科学、化学工程和热力学等学科的交叉创新，技术的快速发展为光催化辅助界面水分蒸发技术提供了广泛的研究机会。新型材料的发现，包括新的二维材料和纳米异质结构材料，由于其独特的光吸收特性和卓越的催化性能，显著提高了太阳能转换效率。同时，通过优化光催化剂的设计并增强光热转换性能，可以进一步提高水分蒸发速率和太阳能利用效率，为水再利用和可持续能源生产开辟新途径。光催化辅助界面水分蒸发技术所展现的潜力和前景，无疑为解决水资源危机和促进绿色能源发展开辟了新的道路。该领域的研究对全球环境保护和能源具有深远的现实意义该领域的研究对全球环境保护和能源具有深远的现实意义。

Dongxue Wang, Xiaotong Zhang, Chunyu Yang, Fengyu Qu, Jian Huang, Jingbo He, Zhuoran Yang, Wei Guo,Photocatalysis assisted solar-driven interfacial water evaporation: principles, advances and trends, Separation and Purification Technology, Volume 360, 2025, 130975, https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.130975.

阅读英文原文

翻译与资料整理：徐泽恩

编辑：环境与能源功能材料

徐泽恩（阳光净水课题组）

【资料整理】徐泽恩：资源与环境硕士研究生，研究方向为生物基环境功能材料在水污染控制工程领域应用，发表中科院TOPSCI论文1篇，参与浙江省自然科学基金项目1项。

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