文献速递 |李振声课题组 ACS Applied Materials & Interfaces 光热水污染物去除

2021年7月，ACS Applied Materials & Interfaces杂志在线发表了香港城市大学李振声教授团队在太阳能驱动的水纯化领域的的最新研究成果.该工作报道一种基于碳气凝胶的蒸发器用于压制低沸点污染物的蒸发，实现有效水纯化和海水脱盐。

第一作者：黄钟明

通讯作者：李盛亮教授，李振声教授

DOI：doi.org/10.1021/acsami.1c06000

本文亮点在这项工作中，研究者解决了在太阳能界面水蒸发过程中低沸点污染物蒸发的问题。研究者基于低成本的，具有较好吸附能力的活性炭结合聚乙烯醇，原位胶联制备杂化蒸发器（CHA）。CHA 不仅具有较好的光吸收和光热转化能力，同时内部丰富的官能团和大的比表面积，对低沸点的污染物具有较强的吸附能力。从而在使水蒸发过程中，抑制低沸点污染物的蒸发。

背景介绍清洁的水对人类的生存和发展起着至关重要的作用，缺乏洁净的水已经成为社会关注的主要问题之一。过去发展起来的太阳能驱动的水纯化和太阳能驱动的海水淡化技术吸引大量的关注。近年来，太阳能驱动的界面水蒸发技术在海水淡化领域得到了广泛的研究，包括污水净化，发电，产氢，太阳能杀菌。具体来说，大多数太阳能蒸发器都是基于光热的材料包括碳材料，金属氧化物材料，有机聚合物，或生物质材料。此外,一些基于混合气凝胶和吸附催化的的太阳能蒸发器已用于太阳能驱动水净化。这些报道的蒸发系统已经取得了较好的水净化效果。在典型的太阳能蒸汽水纯化系统中，光热材料吸收太阳能转化成热能，用于水的蒸发。一般来说，这些系统的表面温度在1个太阳光照下可以上升到60°C以上，在这个温度下，虽然有利于水分子的蒸发，但是可能会引起一些潜在问题，如低沸点污染物(如汞、有机溶剂、杀虫剂等)随着蒸发过程一同被蒸发出来，导致水纯化的效率降低。最近研究报道的通过利用低沸点污染物（Hg²⁺）和蒸发器中的二硫化钼纳米片反应抑制了污水中Hg²⁺的蒸发。另外，利用铁基的金属有机框架混合水凝胶制备蒸发器，通过吸附污水中的Hg2+，压制水蒸发过程中伴随的Hg2+蒸发，达到较好的水纯化效果。到目前为止，除Hg2+外，目前还没有压制其他低沸点物质的的蒸发器的报道。

图标解析示意图 1：太阳光驱动的水蒸发和压制低沸点污染物蒸发的示意图CHA可有效抑制低沸点污染物(如农药、Hg2+离子等)的蒸发，实现增强水净化而不损害太阳能界面水蒸发的效率。在1个太阳的照射下，达到了2.1 kg·m−2·h−1的蒸发速度。同时证明了CHA 可以有效压制易挥发物质的蒸发（示意图 1）。图一：a) PVA 胶和活性炭的SEM 图。b)水接触角实验。c)润湿性实验。d) CHA 和空白的PVA 的反射光谱。e)光热转化温度分布图。f) CHA隔热实验
将聚乙烯醇和固体颗粒活性炭，通过机械混合利用原位成胶能力制备杂化的炭基气凝胶（CHA）。SEM 数据发现，参杂的活性炭颗粒均匀地结合在PVA 网络结构的壁上。水接触角实验证明，制备的CHA具有较好的亲水性。润湿性实验证明，水可以迅速地润湿整个CHA。空白的蒸发器显示白色具有较弱的吸光能力，然而在掺杂活性炭之后，蒸发器显示黑色并且具有较高的吸光能力。良好的光热转化效果和较好的隔热性能为蒸发器的应用提供基础。图二：a) CHA 对于水溶性和脂溶性染料的吸附过程。 b) 两种染料吸附能力的对比。c）CHA 在不同的光照条件下的红外图。d）CHA 在不同的温度下吸附能力对比。e) 吸附稳定性考察接下来，将制备的CHA分别放于水溶性和脂溶性的染料中考察CHA 的吸附性能。实验发现，CHA 可以快速吸附染料溶液，同时在挤压下，可以得到比较纯净的水。数值统计发现，CHA 对两种染料的吸附能力达到90 %以上。在不同的光照下，CHA 的红外图被记录了下来。统计发现在光照的情况下，CHA 对结晶紫和苏丹红的吸附能力提高了约1.6 和1.4 倍。吸附稳定性实验证明，CHA 具有较好的吸附洗脱能力，在10个循环后，仍保持较好的吸附能力。图三：a)， b) 太阳光驱动的水蒸发图和红外图。光热温度变化模拟图。c，d)不同光照条件下的温度变化图和光热水蒸发效率图。e) 纯化后的水明场照片和纯化前后的吸收光谱变化。f)纯化后水中的离子强度变化接下来，研究者用太阳光模拟器（PLS-SXE300D/300DUV）,在5kW/m2 的功率照射下，出现明显的水蒸汽。同时红外图发现光热保留在CHA中，并没有向环境中扩散。接下来，研究者考察了在不同的光照条件下的温度分布和水蒸发速度。同时用染料混合水模拟污染水，考查水纯化能力。紫外吸收图和明场照片发现纯化后的水具有比较好的水质。同时水蒸发后，水中的金属离子下降约3个数量级。说明CHA 具备较好的水纯化能力。图四：a) 压制低沸点污染物蒸发的示意图。b) 三种农药分子式和相对分子重量。c) 蒸发前后的三种农药分子在水中的浓度变化。 d) 蒸发前后的汞离子在水中的浓度变化

接下来，研究者考察了CHA的压制低沸点污染物蒸发的能力，如图四示意图所示，我们选择三种低沸点的农药分子，乐果，氧化乐果，马拉硫磷作为研究对象。蒸发前和蒸发后的水中分子浓度分别用气相色谱测量，结果如图四c所示，相比于没有吸附能力的AuHA 蒸发器，CHA 表现出较好的压制和阻拦低沸点物质的蒸发。

这归因于CHA 中存在大量的功能基团和活性炭的大的比表面积，活性炭的吸附能力赋予CHA 的压制低沸点物质的蒸发功能。同时对金属汞离子也表现出较好的压制蒸发的能力。

图5. a, b) 室外水纯化的示意图和真实的蒸发设备。c) 室外水纯化的速度和实验参数

接下来研究者进行了室外水纯化实验，利用颜料污染的水做水源和自制的水收集装置，在太阳光照射下，收集纯化的水。蒸发器表面的温度，室外温度湿度，水收集速度均被记录。

全文小结

综上所述，制备了一种简单且通用的CHA应用于太阳能驱动的有机污染水净化。在一个太阳的照射下，水蒸发的速度达到2.1 kg·m−2·h−1。重要的是，CHA中丰富的官能团和大的比表面积赋予了它较强的吸附能力。在太阳能驱动的水蒸发过程中，通过吸附作用，压制了低沸点物质的蒸发。该技术具有灵活性、可扩展性、通用性和良好的有机污染物和金属离子去除能力。该蒸发器制备简单，成本低，稳定性好易于大规模制备，为水纯化技术提供更多的思考。

作者介绍

李盛亮博士：香港城市大学化学系Senior Research Associate(高级副研究员)。近年来主要致力于有机纳米光捕获材料的分子设计及其生物医学和环境健康领域的应用研究，并在相关领域发表SCI论文60余篇，其中以通讯/第一作者发表国际权威期刊论文20余篇，包括 Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Nano, Chem. Mater., Chem. Sci., Biomaterials等。个人H指数23，其中多篇研究论文被高频引用。多项研究成果被行业旗舰刊物highlights评述，并获得新闻和新媒体报道。申请国家发明专利8项、参与撰写2本纳米和材料领域书籍。

李振声教授：香港城市大学化学系系主任，材料化学讲座教授及香港城市大学超金刚石及先进薄膜研究中心(COSDAF)主任。主要研究领域包括：有机光电材料及器件，材料界面科学，纳米生物医学等。在相关领域发表SCI论文700余篇，被引用48000余次（H-index 111），著作5部，获准美国专利16项，已主持香港研资局优配研究基金、科技创新署与香港城市大学资助等的科研项目超过50余项。同时，担任国际期刊《Materials Today Energy》主编，《Thin Solid Films》的副编辑，Nature Publishing group-《Asian Materials》的顾问委员会成员，《Materials Today》和《Materials Research Express》及《Physica Status Solidi》多个国际期刊的编委会成员。

文献信息：

Huang, Z.; Wan, Y.; Liang, J.; Xiao, Y.; Li, X.; Cui, X.; Tian, S.; Zhao, Q.; Li, S.; Lee, C.-S. ACS Applied Materials & Interfaces 2021.

使用仪器PLS-SXE300D/DUV 氙灯光源是一款加强型光源，采用专业进口电源，纹波更低、更加稳定可靠，有效延长光源使用寿命；非金属灯箱，最大程度避免实验室电气使用安全风险；光源结构紧凑，体积小，对实验空间的需求减小；同时专利轴向吸风式散热结构，保证灯箱的有效散热。

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北京泊菲莱科技有限公司作为国内光催化科研仪器的创领者，致力于多场景、跨领域的仪器应用、开发。公司近年来在深耕光催化研究领域的同时，在多场催化、多种复合能量场方面取得了一系列成果。

公司近期推出的多功能光化学反应仪、光化学工作站、光热催化反应系统等设备，进一步拓宽产品在光、电、热、压等多种复合能量场方面的应用。

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