《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A Three-dimensional Biomass-Based Solar Evaporator Enhanced by CuS/PPy Photothermal Nanomaterials for Efficient Seawater Desalination
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基于生物质木材的3D CuS/PPy光热蒸发器高效海水淡化研究，通过木质微结构引导水分传输与光热材料协同增强光谱吸收，在模拟1.0kW/m2光照下蒸发率达2.3kg/m2·h，自然光下提升至5.5kg/m2·h，为可持续海水淡化提供新方案。
成浩岩|季安琪|马帅宇|姚浩楠|夏 Wanting|胡浩
河南科技大学材料科学与工程学院，中国洛阳，471023
摘要
由于全球人口的增长，淡水资源的日益稀缺，需要创新解决方案来实现可持续的水资源生产。本研究探索了一种利用太阳能进行海水淡化的方法，采用了一种新型的三维（3D）蒸发器，该蒸发器由生物质衍生材料制成，特别加入了CuS纳米片和聚吡咯（PPy）作为光热材料。这两种材料的组合增强了宽光谱范围内的光吸收能力，尤其是在近红外区域，提高了光热转换效率。蒸发器的设计利用了木材的天然微观结构，通过毛细作用促进水分快速传输，同时将热量损失降到最低。在模拟的太阳辐射条件下（光强度为1.0 kW/m2），w-PPy/CuS在模拟海水中的蒸发速率为2.3 kg/m2·h?1。在自然阳光下，蒸发器的最大蒸发速率达到了5.5 kg/m2·h?1，这表明其在海水淡化和淡水回收方面具有巨大的应用潜力。这些发现凸显了利用天然生物质材料开发可持续且经济有效的解决方案以应对全球水资源短缺问题的有效性。
引言
随着全球人口的快速增长，淡水资源的稀缺问题日益严重，这一点在众多科学研究中得到了证实[1]。虽然海水占地球水资源的约97%，但由于其高盐分含量，利用率较低[2]。目前，传统的淡水生产方法包括多级蒸馏[3]、反渗透[4]、离子交换[5]等，但这些方法在产生清洁水的过程中可能会对自然水生生态系统造成一定程度的伤害[6],[7]。太阳能海水淡化因其高效产生清洁水的能力以及环境和经济效益而受到越来越多的关注[8],[9]。然而，它仍然面临成本高和制备过程复杂的挑战[10]。
生物质衍生材料，如木材、蛋壳和竹炭，因其广泛的可用性、低成本以及长期可持续使用的特性而受到研究人员的广泛关注。目前，一些生物质衍生的太阳能吸收材料，如烧焦的蘑菇、木材、烧焦的丝瓜、烧焦的竹子等，被用于制备太阳能蒸发器[11],[12],[13]。三维（3D）蒸发器的设计不仅提供了多个方向的水分传输通道和更大的蒸发表面，加速了水分蒸发，还通过将蒸发器与水分隔开，消除了热传导损失，提高了热利用效率[14],[15]。天然木材具有垂直微通道的三维结构，有助于快速传输水分[16]，这种组合为高效蒸发器的设计提供了灵感[17],[18],[19]。此外，亲水性蒸发表面可以生成更多的自由水，有效降低蒸发焓，从而提高效率[20],[21]。
为了实现高效的太阳能蒸发，需要在整个太阳光谱范围内具有宽带光吸收能力。虽然天然材料在这方面往往有限，但半导体纳米材料由于其可调的光学特性而成为有前景的替代品。基于铜的半导体如CuS表现出强烈的缺陷介导的近红外（NIR）吸收，这一点至关重要，因为近红外区域占太阳能量的50%以上[22],[23]。然而，它们在可见光区域（约45%的阳光）的性能仍然不够理想[24]。相比之下，共轭聚合物如聚吡咯（PPy）具有合成简单、成本低廉以及通过非辐射弛豫在宽光谱范围内有效进行光热转换的特点[25],[26]。
为了结合这两种材料的优势，我们通过在木材上原位聚合PPY然后加载CuS纳米片来设计了一种复合蒸发器。这种结构弥补了CuS在可见光吸收方面的不足，同时利用了PPY的宽带吸收能力。所得到的CuS/PPy复合材料表现出优异的光热转换性能。此外，木材基底的天然微孔结构确保了高效的水分传输，并减少了盐分积累，从而提升了蒸发性能。在实际应用中，仍有一些需要考虑的因素。尽管实验室规模的工艺是有效的，但扩大到工业生产规模还需要进一步优化[27],[28]。此外，虽然已经证明了短期稳定性，但在实际使用条件下的长期耐久性仍需验证[29]。
部分内容摘录
化学品和材料
氢氧化钠（NaOH，≥96.0%）、亚硫酸钠溶液（NaSO?）、过氧化氢（H?O?）、吡咯（C?H?N，≥98.0%）、硫酸铜（CuSO?，≥99.0%）、硫代乙酰胺（C?H?NS，≥99.0%）、氯化钠（NaCl，≥99.5%）均购自国药化学试剂有限公司。过硫酸铵（(NH?)?S?O?，98.5%）购自上海麦克林生化有限公司。实验用海水取自中国黄海。
木材的制备
一个塑料烧杯中加入了100 mL 2 M的氢氧化钠和100 mL...
CuS、w-PPy和w-PPy/CuS的合成与表征
材料的合成过程如图1所示，包括几个关键步骤：（1）使用碱性溶液软化木材模板，（2）在木材表面原位聚合PPY，（3）水热合成CuS纳米片，（4）将制备好的CuS纳米片加载到w-PPY表面，从而得到基于木材的三维蒸发器。图S1中的CuXRD图谱证实了合成CuS的单相性质。图2和S2展示了...
结论
本研究开发了一种3D w-PPy/CuS水蒸发装置，通过将光热材料CuS和PPY加载到亲水性木材基底表面来实现。得益于木材的微观结构，该装置能够高效捕获和转换太阳能。优异的亲水性和独特的通道结构赋予了装置高效的水分传输和抗盐能力，确保了连续稳定的水蒸发过程。
CRediT作者贡献声明
夏 Wanting：写作——审稿与编辑、可视化、监督。马帅宇：监督、资源提供、概念构思。姚浩楠：监督、资源提供。成浩岩：写作——审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、资金获取、数据分析、概念构思。季安琪：写作——审稿与编辑、验证、实验研究。胡浩：监督、项目管理、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了河南省自然科学基金（项目编号252300421104）、河南省科技研究项目（项目编号242103810058）、中原科技创新青年人才项目（ZYQNBJRC2025-09）、河南省重点研发项目（项目编号231111230100）、中原学者工作站资助项目（项目编号244400510012）以及鹤洛青年人才项目（项目编号2024HLTJ14）的支持。
