研究背景

水资源短缺是一个不断升级的全球挑战，其驱动因素是日益严重的水污染和不断增长的需求。这导致淡水资源严重短缺，威胁人类健康，阻碍社会经济发展。由于传统淡水资源日益紧张，迫切需要清洁水生产的替代解决办法。太阳能驱动的界面蒸发已经成为解决水资源短缺的可持续和节能的方法。该技术使用光热材料将太阳能转化为空气-液体界面的局部热量，在环境条件下驱动水蒸发。其通用性使其能够应用于广泛的水处理场景，包括海水淡化和含油废水处理，使其成为离网和大规模部署的有吸引力的解决方案。其中，海水淡化仍然是一个重点，因为地球上97%以上的水都是含盐的。传统的海水淡化技术，如多级闪蒸、反渗透和膜蒸馏，已经得到了广泛的应用，但仍面临着明显的局限性，包括高运营成本、复杂的基础设施以及与能源使用和盐水处理相关的环境问题。

太阳能海水淡化由于其低廉的运行成本和可持续性，作为传统方法的一种有前途的替代方法而受到关注。太阳能是一种丰富的可再生资源，为淡水生产提供了一种环保的方法。该领域的一项关键技术是太阳能蒸发器，它利用光热材料吸收太阳能并将其转化为热能。这些热量集中在气液界面，使水在低于标准沸点的温度下蒸发。这种局部加热方法优化了能源使用，降低了成本，提高了脱盐效率。太阳能水蒸发过程主要由界面加热驱动，光热材料吸收太阳能并转化为热能产生蒸汽。这种方法效率很高，因为它直接利用吸收的热量将水从液体转化为气体，最大限度地减少热量损失，最大限度地利用太阳能。相比之下，像底部加热这样的传统方法存在大量的热损失，因为大部分吸收的热量在蒸发之前消散到周围的水中。有效的太阳能蒸发器材料应强烈吸收整个太阳光谱中的光。虽然大多数太阳强度在300-800 nm范围内，但吸收更大范围的阳光可以进一步增强热转换和水蒸发性能。

许多材料已经被探索作为光热转换器，包括金属纳米颗粒，碳基材料，无机半导体和聚合物材料。碳基材料由于其高光热转换效率和易于集成到太阳能应用中而特别有效。金属纳米颗粒也非常高效，但其高昂的成本和潜在的毒性限制了其更广泛的应用。无机半导体提供了一种稳定、经济的替代方案，尽管通常效率较低。高分子材料在需要灵活性和生物相容性的应用中效率和价值较低。为了增强光热性能，纳米颗粒可以与其他材料一起修饰以发挥协同效应。

对于高性能太阳能界面蒸发器，气凝胶和膜等材料通常用无机半导体如Cu、TiO2、MoS2等进行修饰。例如，tenku等人开发了一种紫外线臭氧暴露的MoS2光热太阳能蒸发器，其能量转换效率为94%，蒸发速率为1.83 kg·m−2·h−1。Lv等人设计的2D/2D MoS2/ZnIn2S4太阳能蒸发器，在1太阳强度下光热转换效率为98.4%，蒸发速率为1.54 kg·m−2·h−1。Zeng等制备了用于废水净化的双功能泡沫碳/TiO2复合太阳能吸收体，在光照2.5小时后，太阳能蒸汽蒸发速率稳定在1.0334 kg·m−2·h−1，亚甲基蓝（MB）降解率达到87%。

二氧化钛（TiO2）以其吸光性能、高光活性、热稳定性和成本效益而闻名。然而，它的宽带隙（~3.2 eV）限制了它在光吸收时产生的热量，因此需要与二硫化钼（MoS2）等材料进行战略耦合以提高性能。MoS2具有1.8 eV的带隙，具有出色的太阳能吸收和光腐蚀稳定性，使其成为水处理应用的理想选择。将MoS2纳入光热太阳能蒸发器已经取得了重大进展，包括高光热效率、稳定的水渗透和出色的盐拒收率。这种协同效应凸显了二氧化钛嵌入二硫化钼在推进太阳能蒸发、水处理和环境修复技术方面的变革潜力。

本研究利用水热法合成的TiO2-MoS2复合材料，开发了一种简易的太阳能蒸发器，用于高效的一锅清洁水生产。太阳能蒸发器利用棉絮进行高效的水输送，而PS泡沫作为保温层。水被输送到气液界面，TiO2-MoS2的活性表面层吸收太阳能，通过光热效应加热水。同时，保温层最大限度地减少热损失，增强热局部化效果。这种组合机制使有效和同时蒸发。在单太阳模拟器下严格评估了太阳能蒸发器的光热效率，以优化太阳能蒸发器表面的太阳能吸收和产热。对这些太阳能蒸发器的物理化学和热性能进行了细致的表征，重点评估了它们对太阳能蒸发器性能的影响，包括水通量和能源效率。本研究为TiO2-MoS2蒸发器的光热转换特性提供了重要的机理见解，为提高其光热效率提供了全面的分析。通过揭示控制其性能的基本机制，本研究为优化TiO2-MoS2蒸发器奠定了基础，最终实现高效和可持续的海水淡化应用。最后，本研究旨在展示一种简化的制造方法；与之前报道的多步骤方法不同，本研究开发的TiO2嵌入2D MoS2蒸发器是通过简单直接的工艺生产的，不需要复杂的设备或表面活性剂，增强了其可扩展应用的适用性。

相关成果以“Mechanistic insights of facile synthesized-solar driven TiO2 intercalated 2D molybdenum disulfide evaporator for one-pot clean water production”为题发表在国际知名期刊《Desalination》上。

研究结论

该研究全面展示了TiO2-MoS2（0.2TM）太阳能蒸发器在太阳能驱动蒸发应用中的卓越性能。它的最高蒸发速率为1.22 kg·m-2·h-1，光热效率为93.8%，在1个太阳照射下，峰值表面温度为117.9°C，比裸蒸发器高4倍。值得注意的是，这代表了最近基于二硫化钼和二氧化钛的太阳能蒸发器中报道的最高光热效率。这些特殊的结果是由TiO2嵌入到二维MoS2层间结构中的协同效应获得的。TiO2增强了光吸收，而MoS2的窄带隙有利于有效的电子激发和产热，从而增强了TiO2-MoS2复合材料的光热性能。这突出了TiO2嵌入的二维MoS2之间的协同相互作用，促进了水向气液界面的简单而有效的机制。在该界面处，TiO₂-MoS₂活性表面吸收太阳能，通过光热效应产生热量。TiO2和MoS2之间的协同效应显著增强了蒸发界面的热局部化，使热损失最小化。这种局部加热促进有效和连续的水蒸发，导致高水通量和有效的排斥性能。总之，本研究强调了太阳能驱动的TiO2插层2D MoS2蒸发器作为一锅可持续水净化和海水淡化的有希望的候选物，具有高效和可扩展的太阳能驱动蒸发应用解决方案。

研究数据

图1 自组装太阳能TiO2-MoS2蒸发器系统示意图

图2 (a) TiO2-MoS2及其原始组分的XRD分析、(b)拉曼分析和(c) TGA分析，考察其理化性质。

图3 (a) TiO2-MoS2及其原始组分的紫外-可见吸收光谱和(b)Tauc图。

图4 TiO2-MoS2及其原始组分的表面形貌和结构表征特性(a) SEM和(b) TEM分析。

图5 TiO2-MoS2复合材料的表面积与带隙关系。

图6 (a)不同TiO2负载制备的TiO2- MoS2复合材料示意图和(b)光热转换过程中TiO2-MoS2之间可能的机制相互作用示意图。

图7 太阳能蒸发器（0.1TM-0.5TM）表面在0 s和0.10 s的接触角图像，显示水滴的吸收。

图8 (a)不同TiO2-MoS2配比制备的太阳能蒸发器性能；(b)不同涂层类型制备的太阳能蒸发器温度；(c)在1 太阳光照下，6 h暴露1 h后的图像。

图9 TiO2-MoS2基太阳能蒸发器的研究进展。

原文连接

https://doi.org/10.1016/j.desal.2025.119108

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