研究背景
自工业化以来，全球数亿人都面临着淡水短缺、水资源储备有限和水污染等严重挑战，太阳能驱动的海水淡化由于其具有可持续性和可再生性，已被广泛认为是解决上述问题的有效解决方案。虽然太阳能蒸发器可从海水中获得淡水，但优于获取淡水的工业越来越为复杂，导致所获取的水源中存在微量有害物质如抗生素和微塑料，对水质和环境构成威胁，危害人类健康。因此，除了要考虑海水淡化之外，太阳能蒸发系统还有必要考虑对有机污染物的去除能力。基于此，本工作设计了一种新型多功能黑色g-C3N4/丝瓜络/壳聚糖（BCN/LF/CS）水凝胶太阳能界面蒸发器，不仅有利于高效的太阳能界面蒸发和脱盐，而且能促使海水中抗生素污染物的光降解。实验结果表明，在模拟海水中，最佳BCN-1/LF/CS蒸发器的有效蒸发速率达到2.1 kg m-2 h-1，在6h内四环素（TC）溶液（50 mg/L）降解率保持91.4 %。本文结合光热蒸发和光催化降解的优点，从复杂的水环境中获得淡水和降解污染物，为今后在废水净化领域，探索光催化剂耦合光热蒸发器的体系构建方面提供了借鉴意义和参考价值。
相关成果以“Construction of black g-C3N4/loofah/chitosan hydrogel as an efficient solar evaporator for desalination coupled with antibiotic degradation”为题在《Separation And Purification Technology》（JCR: Q1，TOP，IF=8.1）上发表。
研究结论
本研究提出了一种具有优异的太阳能蒸发性能和有机污染物降解活性的BCN/LF/CS双功能光热蒸发器，可用于多功能水净化。在BCN/LF/CS复合水凝胶中，BCN作为一种创新的光热材料，可以有效地将太阳能转化为热能，用于在阳光下产生水蒸汽实现蒸发获取淡水，同时产生大量的光生电子，与氧气结合，形成活性自由基，作为降解有机污染物的光催化剂。此外，利用LF和CS作为蒸发器框架，有助于提高蒸发器的稳定性、亲水性和耐盐性。本文介绍的BCN/LF/CS蒸发器结合了光热蒸发和光催化降解的优点，从复杂的水环境中获得纯化水，为基于光热基光催化材料的太阳能蒸发器的构筑提供了一种新的探索模式。
数据研究
图 1. (a) BCN、(b)BCN/CS和(c) BCN/LF/CS三个合成工艺步骤制备BCN/LF/CS太阳能蒸发器的示意图。(d)基于BCN/LF/CS蒸发器的太阳能蒸发实验装置。(e)已制备的BCN/LF/CS样品的数码照片。
图 2. (a) CS、CN/LF/CS和BCN/LF/CS的 XRD测试和 (b) FT-IR光谱。(c)BCN/LF/CS样品SEM图像。BCN/LF/CS的(d) C 1s、(e) N 1s和(f) O 1s的高分辨率XPS光谱。(g)CS、CN/LF/CS和BCN/LF/CS的表面温度曲线。(h)BCN/LF/CS蒸发器在1次阳光照射下的红外图像。(i)CS、CN/LF/CS和BCN/LF/CS的紫外-可见光谱。
图 3. (a)已制备的蒸发器的光热转换效率。(b)纯水和制备的样品在1次阳光照射下的水重量随时间的变化。(c)蒸发速率的增强系数（即ΔR）。(d)蒸发前后实际海水中不同离子的浓度。(e)不同盐浓度下BCN/LF/CS样品蒸发速率的变化。(f)50 min期间在BCN/LF/CS表面上的自海水淡化过程的图像。(g)太阳能蒸汽生成处理前后的染料溶液。(h)净化后人工污水样品净化前后的pH值。(i)BCN/LF/CS蒸发器的循环稳定性测试。(j)BCN/LF/CS蒸发器与其他以前报道的蒸发器之间的水蒸发速率的比较。
图 4. (a)在模拟海水中的光催化TC降解曲线。(b)在含TC溶液（50 mg/L）的模拟海水中，在1日照射下制备的太阳蒸发器的水重量随时间的变化。(c)比较了在已制备的太阳能蒸发器上的降解速率常数和蒸发效率的直方图。(d)在含50 mg/L TC的模拟海水中，不同光强条件下的光催化TC降解曲线。(e)在含50 mg/L TC的模拟海水中，不同光强度下制备的太阳能蒸发器的水重量随时间的变化。(f)在含50 mg/L TC的模拟海水中，在不同光强条件下，所制备的太阳能蒸发器的降解速率常数和蒸发效率的直方图比较。(g)在不同光强条件下，BCN-1/LF/CS蒸发器顶部的蒸发表面温度随时间的变化。(h)含不同TC浓度的模拟海水在1日照射下的光催化TC降解曲线。(i)在含不同TC浓度的模拟海水中，在1日照射下制备的太阳蒸发器的水重量随时间的变化。(j)真实太阳能淡化与污染物降解系统的光学图像。(k)BCN-1/LF/CS蒸发器上室外试验的实际蒸发和降解效率。
图5. (a)BCN-1/LF/CS蒸发器的捕获实验。(b)DMPO-O2-和(c)DMPO-OH的DMPO自旋捕获ESR谱。LF/CS、CN/LF/CS和BCN-1/LF/CS蒸发器的(d) PL光谱。(e)瞬态光电流响应曲线和(f)LF/CS、CN/LF/CS和BCN-1/LF/CS蒸发器的EIS图。(g)BCN-1/LF/CS太阳能蒸发器脱盐结合TC降解机理图。
https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129615
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