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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。然而，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。在这项研究中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。在这项研究中，以三聚氰胺海绵作为骨架，以四甲基乙二胺作为交联促进剂，实现了MoS2-聚丙烯酰胺水凝胶在<20秒内的快速交联，从而赋予蒸发器较高的机械稳定性。为了确保蒸发器能够漂浮并去除污染物，设计了一种超疏水固定层，其中含有硬脂酸锌和钨酸铋。漂浮层表面的水滴接触角为160.3°。组装的界面蒸发器实现了1.667 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发率，其中漂浮层不仅具有选择性吸附油污的能力，还能够在乙醇的作用下降解染料。通过对比实验，揭示了在降解过程中羟基自由基（h⁺）的活性状态。最终实现了清洁水的生产和污水处理。

图 1.蒸发原理图。

相关内容以“Rapid cross-linking of MoS2 photothermal layers and their assembly of interface evaporators for desalination and environmental optimization”发表在为题发表在《Desalination》上。（ JCR一区，中科院一区TOP，IF=8.4）

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研究结论

这项研究开发的MoS2-丙烯酰胺水凝胶蒸发器实现了1.667 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发率，有效抑制了海水中的盐结晶，并在净化含金属离子的污水方面表现出高效性。通过海绵骨架的存在确保了蒸发器的机械稳定性，且在四甲基乙二胺存在的情况下，交联时间缩短至<20秒。此外，由硬脂酸锌和钨酸铋构建的超疏水固定层展现出了吸附漂浮油和降解可溶性污染物的能力。通过DRS、XPS和Mott-Schottky 分析，阐明了钨酸铋的价带和导带位置。预计这项研究的成果可以推动界面蒸发器从实验室走向实际生产的转变。

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研究数据

图 2.硬脂酸锌的合成 （a）、表面形貌 （b、c）、TEM （d） 和元素分布 （e）；（f） 硬脂酸和硬脂酸锌 的 FTIR；（g）硬脂酸锌的润湿性能 。

图 3.各种基材的润湿性 （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。超疏水基材的油/水分离 （j）、水滴粘附力 （k） 和机械稳定性 （l） 的测试。

图 4.选择性除油的机理模型。

图 5.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 6.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；（f）光降解机制图 。

图 7.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 8.水凝胶蒸发器的交联反应和结构示意图。

图 9.界面蒸发器对含有 RhB （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（d）溶解特性。

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https://doi.org/10.1016/j.desal.2025.118767

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