第一作者：安宁
通讯作者：李倩教授
通讯单位：山东大学环境科学与工程学院
论文DOI：10.1002/adfm.202500777
太阳能驱动光热界面蒸发技术被视为缓解全球水资源危机的一种有前景的绿色方法。然而，从散装水和蒸馏水中有效去除挥发性有机化合物（VOCs）仍然是该技术中的一个重大瓶颈。该研究开发了一种自浮式太阳能驱动的光热/光催化集成蒸发器（MCPWC），用于同时高效蒸发和净化挥发性有机废水。受树木自然结构和蒸腾机制的启发，MCPWC由Mn@g-C3N4/PANI/木质衍生碳复合材料构成，展现出卓越的蒸发性能（2.99 kg m-2 h-1）和光热转换能力（97.06%）。Mn修饰的g-C3N4促进了光生电子-空穴对的分离迁移，而PANI作为光热吸收体和共催化剂，与Mn@g-C3N4协同降解挥发性有机化合物，在散装水和蒸馏水中分别实现了95.69%和99.04%的VOCs降解效率。该研究成功地将光催化降解技术融入太阳能蒸发系统，为处理污染废水提供了新途径。
全球水资源危机日益严重，现有水处理技术因高能耗、高成本和潜在环境影响而受限。太阳能驱动的光热界面蒸发技术作为一种绿色解决方案，虽能有效去除水中无机盐、有机染料等污染物，但VOCs的去除仍是难题。VOCs易随水分子蒸发并进入冷凝水，造成二次污染。传统方法截留型蒸发器导致VOCs在散装水中富集，或吸附性蒸发器面临吸附饱和后VOCs逸出风险。光催化技术因其可在光照下氧化分解有机污染物，且无需额外化学试剂和外部能源，具有显著环境和经济优势，但平衡光热蒸发速率与光催化降解效率仍是关键挑战。该研究旨在开发一种自浮式太阳能驱动的蒸发/光催化集成系统（MCPWC），利用木质材料的多孔结构和亲水性，通过原位生长Mn@g-C3N4和PANI纳米颗粒，结合光热蒸发与光催化降解，同时实现快速蒸发和高效降解VOCs。
1. 本研究受树木的自然结构和蒸腾机制启发，创新性地设计了一种自浮式太阳能驱动的光热/光催化集成蒸发器（MCPWC），在模拟阳光照射下实现了高达2.99 kg m-2 h-1的卓越蒸发速率。
2. 通过在木质衍生碳内部原位生长Mn@g-C3N4和PANI纳米颗粒，构建了具有协同效应的多功能材料体系。Mn对g-C3N4的修饰促进了光生电子-空穴对的分离与迁移， PANI不仅作为高效的光热吸收体，还与Mn@g-C3N4形成协同催化系统，加速了VOCs的降解。
3. MCPWC蒸发器在多种实际复杂水体环境中展现出强大的适应性和高效性。在户外实验中，即使在较弱的光照强度和封闭的蒸发区域下，MCPWC依然能够稳定运行并实现高效的水蒸发和污染物降解，每日淡水产出量可达11.10 kg m-2。
图1a展示了MCPWC复合材料的典型制造过程。Mn@g-C3N4纳米颗粒通过浸渍法原位生长在WC内部通道中，PANI通过自聚合沉积在WC的内外表面，从而合成了多功能太阳能蒸发器MCPWC。扫描电子显微镜（SEM）图像显示出MCPWC具有蜂窝状多孔结构，Mn@g-C3N4和PANI纳米颗粒均匀负载，有利于增强阳光吸收和催化活性（图1b）。能量色散光谱（EDS）证明了C、O、N和Mn在MCPWC中的均匀分布（图1c）。此外，材料垂直方向上的纵向管状结构清晰可见，这对于通过毛细作用高效输水至关重要（图1d)。接触角测试表明，MCPWC表面的水滴在0.5秒内被迅速吸收，确保了太阳能驱动光热蒸发过程中水的快速输送和充足供应（图1e）。利用X射线光电子能谱（XPS）（图1f）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）（图1g）分析蒸发器的化学成分，结果表明，PANI和Mn@g-C3N4已成功集成到MCPWC蒸发器上，与EDS的测试结果一致。
图1 太阳能蒸发器合成与表征
光热转换材料捕获宽带太阳光的能力直接影响蒸发器的蒸发性能。MCPWC在250-2500 nm范围内的光吸收率达97.06%，表现出优异的光吸收效果（图2a)。在模拟阳光下，MCPWC复合蒸发器的表面平衡温度（63.1℃）显著高于纯水（63.1℃），展示出优异的光热转换和热定位能力（图2b-c)。模拟阳光照射40分钟后，蒸发器的热辐射损失仅约0.46%，表明MCPWC具有良好的热管理效果（图2d)。当模拟光照强度从0.5增加到3个太阳时，MCPWC蒸发器表面温度在30 min内迅速上升，随后趋于稳定（图2e）。在一个太阳光照射下，MCPWC的蒸发速率达到2.99 kg m-2 h-1及光热转换效率为98.95%，远高于其他样品和纯水（图2f）。辐照强度从0.5到3.0太阳之间变化时，MCPWC的水分蒸发性能显著提升，从1.40 kg m-2 h-1增加到5.98 kg m-2 h-1（图2g）。MCPWC蒸发器在太阳辐射下持续蒸发10小时后，水分蒸发性能保持稳定，开始出现盐晶。随后的2小时蒸发过程中，水蒸发能力没有出现明显下降。（图2h）。最关键的是盐结晶会自动溶解，展示了MCPWC蒸发器材料的自清洁能力，保证其稳定可靠的运行（图2i）。
图2 太阳能蒸发器光热及蒸发性能测试
在模拟阳光照射条件下，进行了太阳能驱动的协同光热蒸发/降解测试。MCPWC在下部散装水中的苯酚残留率低于5%，而纯WC的苯酚去除效率仅为22.74%（图3a）。MCPWC蒸发器的苯酚降解速率常数（0.04 min-1）是WC蒸发器（0.002 min-1）的20倍，表明所制备的蒸发器具有良好的光催化活性（图3b，c）。同时 MCPWC蒸发器进行太阳能驱动蒸发时，上部蒸馏水中的苯酚残留含量显著降至0.96%，几乎实现了苯酚的完全去除（图3e)。通过调节材料组分的摩尔比和含量，制备了具有不同PANI浓度和Mn@g-C3N4负载量的蒸发器，以研究其对光催化效率的影响（图3f）。当模拟太阳光照强度从0.5个太阳到3个太阳时，光热蒸发反应温度从37.4°C（0.031 min-1）升至60.6°C（0.049 min-1），催化降解速率显著提高了36.7%（图3g)。苯酚浓度从低到高增加时，MCPWC蒸发器在散装水中的苯酚去除率有所下降（图3h) ，上层蒸馏水中的苯酚去除能力均超过99%，表明MCPWC蒸发器对于高浓度挥发性有机物也能有效去除。
图3 太阳能蒸发器VOCs去除性能测试
为了揭示MCPWC蒸发器太阳能驱动挥发性有机物降解机制，进行电子顺磁共振（EPR）测试。从图4a可以看出，在黑暗条件下，MCPWC蒸发器表现出明显的h+峰。然而，在阳光照射10 min后，峰强度显著下降，表明h+直接参与了挥发性有机物的光催化降解过程，且光照是促进这一化学反应的关键因素。在黑暗条件下，MCPWC蒸发器未检测到显著的活性氧特征峰信号，但在模拟太阳光照10 min后，出现了∙OH、∙O2−和1O2的典型特征峰，表明活性氧攻击并降解了有机物（图4b）。为了确定MCPWC蒸发器的能量带结构，进行了紫外-可见漫反射光谱（UV-DRS）（图4c) 分析。MCPWC的带隙宽度从原始WC的3.20 eV减少到2.80 eV，降低了电子跃迁所需的能量，提高了光催化反应活性。
图4 太阳能蒸发器VOCs去除机理分析
本研究还测试了MCPWC蒸发器在实际水体中常见金属离子在脱盐前后的浓度变化，探究蒸发器处理实际复水体的可行性。四种金属离子（K+、Ca2+、Na+和Mg2+）的浓度远低于初始实际水样中的离子浓度，且符合美国环境保护署（EPA）和世界卫生组织（WHO）制定的饮用水质量标准（图5a）。于2024年7月14日进行了户外水蒸发和污染物去除实验，13：30达到最大辐照强度0.94 kW m-2，MCPWC的水蒸发能力高达2. 71 kg m-2 h-1（图5b）。此外，成功制备了一个放大版蒸发器（长×宽= 12厘米×9厘米），用于太阳能驱动的光热水分蒸发以及挥发性有机物降解性能测试（图5c），日产水量可达11.10 kg/m2，优于迄今为止报道的其他蒸发器。放大版MCPWC蒸发单元可有效降解有机污染物，其中散装水中的苯酚去除率高达79.02%，蒸馏水中残留苯酚含量低于2%（图5d)。总之，通过MCPWC蒸发器进行的户外太阳能驱动水净化实验同时实现了高效的淡水生产和有机物降解，证明了其在实际应用中的可行性和有效性。
图5 太阳能蒸发器实际条件水体净化实验
本研究成功构建了一种自浮式太阳能驱动的光热/光催化集成蒸发系统（MCPWC），通过在木质衍生碳中原位生长Mn@g-C3N4和PANI纳米颗粒，实现了高效太阳能蒸发和水净化。针对受挥发性有机物污染的水体，特别是复杂的水环境（海水和地表水），全面评估了太阳能驱动界面光热蒸发与挥发性有机物光催化降解的双重功效。结果表明，在1 kW m-2模拟阳光照射强度下，MCPWC太阳能光热蒸发器表现出2.99 kg m-2 h-1的蒸发能力，苯酚在蒸馏水和散装水中去除率分别达到99.04%和95.69%。此外，户外集成太阳能驱动水质净化性能测试实验表明，自浮式放大MCPWC蒸发系统能够同时实现无机盐去除和有机物降解，为未来实际应用提供了巨大潜力。
安宁：山东大学环境科学与工程学院博士研究生，主要从事水凝胶基太阳能蒸发技术及大气集水的应用研究。以第一作者身份在期刊Adv. Funct. Mater.、Sep. Purif. Technol.、Desalination等期刊发表论文5篇。
李倩：博士、教授、博士生导师，现任职于山东大学环境科学与工程学院。主要从事环境功能材料及环境污染低碳高效治理等研究。在PNAS、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater. Environ. Sci. Technol.、Water Res.、等期刊发表SCI论文170余篇（H-index 51），授权发明专利25项；获得省部级奖励5项，出版专著2部。承担国家自然科学基金区域创新发展联合基金、国家自然科学基金、山东省自然科学基金项目、山东省重大创新工程项目等项目20余项；参与国家科技攻关（支撑）计划、国家“863”课题等项目20余项。
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