具有光热、抗菌和吸附等多重功能的多功能碳纳米网，可用于太阳能驱动的海水淡化和水净化过程

《Desalination》：Multifunctional carbon nanowebs for solar-driven desalination and water purification with integrated Photothermal, antibacterial, and adsorptive capabilities

本研究开发了一种铜掺杂碳纳米纤维web（CCuNWs），通过可扩展电纺-碳化工艺实现高效光热蒸发（95.25%太阳能-蒸汽效率）、选择性染料吸附（1202.04 mg/g）及广谱抗菌（对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑制率均超97%）。材料在含盐和有机污染实际废水中仍保持稳定蒸发性能（1.58 kg/m2·h），且通过金属纳米粒子与碳基复合结构实现光热协同抗菌效应。

　　太阳能驱动的水蒸发技术为解决全球淡水资源短缺问题提供了一种可持续的途径。然而，现有的光热纳米网系统往往在蒸发效率、污染物去除能力和抗微生物污染能力之间存在权衡，限制了其在实际应用中的部署。本研究开发了一种多功能碳纳米网（CCuNWs），通过可扩展的静电纺丝和碳化工艺制备，实现了高效太阳能驱动水蒸发、选择性染料吸附以及广谱抗菌活性的同步提升。该纳米网表现出卓越的甲基橙吸附能力，达到1202.04?mg·g?1，能够有效捕获污染物并维持稳定的蒸汽传输。经过优化的光热转换性能，使其在单倍太阳辐射下实现95.25%的太阳能到蒸汽效率，蒸发速率达到1.58?kg·m?2·h?1，从而在户外条件下从50?mg·L?1的染料污染水中生产出10.18?kg·m?2·day?1的清洁水。在长时间运行中，该系统在实际废水中的性能保持稳定。在盐水条件下，该系统还能有效进行脱盐，产生不含离子的冷凝水，同时维持与去离子水相当的蒸发速率。此外，嵌入的金属纳米颗粒赋予其强大的抗菌功能，通过协同的氧化和接触机制，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制效率分别达到98.38%和97.38%。将高效的蒸发能力、选择性污染物去除和抗微生物性能整合到单一的太阳能响应纳米网中，是光热水处理平台的一项显著进展，为分散式、离网的清洁水生产提供了可扩展且多功能的解决方案。

水污染和淡水资源短缺是当今全球面临的重要挑战，迫切需要可持续的解决方案来平衡能源效率与污染物去除效果。传统的水处理方法，如膜过滤和蒸馏，通常能耗较高，限制了其在资源匮乏地区的应用。太阳能辅助蒸汽生产作为一种替代方案，利用丰富的太阳能资源，将受污染的水（包括盐水和工业废水）转化为可使用的淡水，引起了广泛关注。然而，尽管光热蒸发系统在淡水生产方面表现出色，但它们往往忽略了蒸发过程中残留的污染物，这些污染物具有复杂的化学结构、高颜色指数以及对自然降解的抵抗性。未经处理的污染物可能会在生态系统中积累，对人类健康和环境稳定造成长期威胁。例如，一些已报道的蒸发器，如铜氧化物纳米纤维膜修饰的聚多巴胺-二氧化钛光催化剂[4]或基于蚕丝的气凝胶[2]，虽然能够生成清洁水，但无法有效处理源水中的浓缩污染物，导致二次污染问题。

近年来，研究者们开始探索将污染物降解与太阳能蒸发相结合的技术。例如，Wen等人[5]开发了一种Janus水凝胶蒸发器，使用聚多巴胺-二氧化钛光催化剂，实现了水生产和染料（如亚甲基蓝和刚果红）95%的降解效率。然而，光催化方法存在一些局限性，如制备过程复杂、涉及有害化学品以及只能降解特定的染料分子。此外，它们在低光照或夜间条件下的性能下降，限制了其在无光照环境中的应用。相比之下，物理吸附作为一种稳健且节能的染料去除方法，能够在无光依赖的情况下捕获多种污染物。在吸附材料中，多孔碳纳米纤维膜因其高比表面积、可调的孔隙率和丰富的官能团，表现出高效的染料吸附能力。此外，其固有的光热特性，如宽谱光吸收和热定位能力，使其成为太阳能蒸发的理想选择。例如，Chen等人[7]通过共静电纺丝技术制备了源自木质素的碳纳米纤维膜，同时提升了亲水性、光吸收能力和热性能，实现了高达1.43?kg·m?2·h?1的蒸发速率，效率为93.8%。类似地，Wang等人[8]通过水解辅助一步碳化方法制备了多孔纳米纤维材料，实现了超过90%的太阳能吸收率和1.71?kg·m?2·h?1的记录蒸发速率（效率为92.1%）。尽管这些材料在性能上有显著优势，但在自然水体中仍面临严重的生物污染问题，微生物的附着会随着时间推移导致材料性能和耐久性的下降。

为了解决这些问题，将金属纳米颗粒与碳基材料结合的技术逐渐受到关注，这种方法融合了金属的光热和抗菌特性，以及碳材料的结构和吸附优势[9]。铜纳米颗粒特别受到青睐，因为它们可以通过氧化应激和离子释放发挥强大的抗菌作用，同时还能增强光吸收能力。然而，传统的沉积方法常常导致金属-碳界面较弱，使得纳米颗粒在操作过程中容易脱落，影响材料的长期功能[10]。

基于这一背景，本研究开发了一种铜掺杂的碳纳米网（CCuNWs），通过精确控制的静电纺丝和煅烧工艺制备。系统性地优化了静电纺丝溶液中铜乙酸盐（Cu(CH?COO)?）的浓度，得到了具有增强光吸收能力和卓越染料吸附能力的纳米网。优化后的纳米网在混合溶液中表现出对不同电荷染料的高吸附性能，揭示了其选择性吸附特性。此外，该纳米网在太阳能照射下能够维持稳定的高蒸发速率。值得注意的是，该纳米网对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌展现出显著的抗菌效果，证明了其在处理微生物污染水中的耐用性。本研究重点评估了CCuNWs的四个关键方面：首先，通过调整材料的孔隙结构和表面化学特性，提高其对染料污染的吸附能力；其次，探讨光热和抗菌功能的整合，特别是光诱导加热与杀菌活性之间的协同效应；第三，评估材料在复杂水体系中的稳定性，包括盐分、有机污染物和细菌负载，其中污染物吸附、光热蒸发和广谱抗菌作用预计能够协同工作；第四，通过自建太阳能模拟器和户外自然光照测试，研究CCuNWs的光热蒸汽生成性能。通过这些努力，本研究不仅展示了材料在实验室条件下的性能提升，还验证了该方法在实际水处理应用中的潜力，为推进界面太阳能蒸汽生成技术提供了新的思路和实践基础。

在材料的制备过程中，使用了聚丙烯腈（PAN）、铜乙酸盐（Cu(CH?COO)?）、甲基橙（MO）和亚甲基蓝（MB）作为原料，这些材料均从中国上海的Aladdin工业公司获得。此外，Colvazol黑（CB）由浙江隆盛染料化学有限公司提供，而N,N-二甲基甲酰胺（DMF）则由德国默克公司生产。在静电纺丝过程中，PAN被溶解在DMF中，形成浓度为6 wt%的纺丝液。随后，铜乙酸盐以不同的比例（2:0、2:1、2:2、2:3和2:4）与PAN混合，制备出不同铜含量的纳米网。这一过程的关键在于控制铜乙酸盐的浓度，以获得最佳的光吸收和染料吸附性能。通过系统的优化，研究团队能够精确调控纳米网的结构和组成，从而提升其在太阳能蒸发和污染物去除方面的综合性能。

为了进一步理解CCuNWs的微观结构和形成过程，研究团队采用了场发射扫描电子显微镜（FESEM）对CuNW-x和CCuNW-x的微结构演变进行了分析（图2）。CCuNWs的制备过程分为三个步骤：静电纺丝、预氧化和煅烧。首先，静电纺丝生成了一种淡蓝色、柔韧的PAN/Cu(CH?COO)?纳米网（图2c），其中铜乙酸盐均匀分布在PAN纤维基质中。在热处理过程中，铜乙酸盐首先分解为氧化铜（CuO），并锚定在PAN表面。随着煅烧温度的升高，CuO进一步转化为碳化铜（Cu?C），最终形成具有丰富孔隙结构和高比表面积的碳纳米网。这一过程不仅保留了PAN的结构特性，还通过铜的掺杂增强了材料的光热转换能力和抗菌性能。FESEM图像显示，经过煅烧后的CCuNWs具有高度有序的纤维结构，表面覆盖着均匀分布的铜纳米颗粒，这为其优异的光热和吸附性能提供了结构基础。

在性能测试中，CCuNWs在单倍太阳辐射下展现出卓越的太阳能到蒸汽效率，达到95.25%，同时保持了1.58?kg·m?2·h?1的蒸发速率。这种高效率的光热转换性能使其在户外条件下能够从50?mg·L?1的染料污染水中生产出10.18?kg·m?2·day?1的清洁水。此外，CCuNWs在处理实际废水时表现出良好的稳定性，能够在复杂水体系中持续发挥功能。在盐水条件下，该系统能够有效脱盐，产生不含离子的冷凝水，同时维持与去离子水相当的蒸发速率。这一特性使得CCuNWs不仅适用于染料污染水的处理，还能够应对盐水和工业废水等不同类型的水源。

在抗菌性能方面，CCuNWs表现出显著的广谱抗菌能力。通过引入铜纳米颗粒，该材料能够在光照条件下通过协同的氧化和接触机制抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长。实验结果表明，CCuNWs对这两种细菌的抑制效率分别达到98.38%和97.38%，显示出其在处理微生物污染水中的潜力。这一抗菌性能不仅提高了系统的安全性，还延长了其在实际应用中的使用寿命。此外，铜纳米颗粒的掺杂还增强了材料的光热转换能力，使其在太阳能照射下能够更有效地产生蒸汽，从而进一步提升了系统的整体性能。

综上所述，本研究开发的CCuNWs通过静电纺丝和煅烧工艺，成功整合了光热蒸发、选择性染料吸附和广谱抗菌功能。该材料的结构优化使其在复杂水体系中表现出良好的稳定性和高效性，为分散式、离网的清洁水生产提供了新的解决方案。未来，随着进一步的技术改进和规模化生产，CCuNWs有望在实际水处理应用中发挥更大的作用，为应对全球水资源危机提供切实可行的途径。