CuS/生物质碳-水凝胶光热材料：用于高效太阳能驱动的界面蒸发过程

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：CuS/biomass carbon-hydrogel photothermal materials for efficient solar-driven interfacial evaporation

太阳能驱动界面蒸发器的研究，采用玉米秸秆制备生物质活性炭并掺杂纳米CuS，通过丙烯酰胺原位聚合和MBA化学交联形成双网络水凝胶结构，实现98.8%高光吸收率、2.034 kg/m2·h蒸发速率及海水耐受性，有效解决低成本高效蒸发材料难题。

　　

夏江|达娃丹增|辛莉|严菊静|赵柳|纪艳丽

兰州资源与环境大学环境与化学工程学院，中国兰州730020

摘要

由于太阳能界面蒸发器在可持续水生产方面的潜力，它们被广泛应用于废水处理和海水淡化领域。然而，使用高成本材料以及实现连续蒸发仍然是太阳能驱动界面蒸发（SDIE）的关键因素。本研究设计了一种经济高效的方法，以低成本的生物质秸秆为原料制备基于生物质的活性炭，并结合了纳米CuS优异的光吸收性能。通过原位丙烯酰胺（AAM）聚合和N,N′-甲基双丙烯酰胺（MBA）的化学交联，通过自由基聚合制备了一种改性的复合水凝胶蒸发器。该材料表现出惊人的98.80%的太阳能光吸收效率、优异的机械强度和柔韧性，以及非凡的超亲水性。这些特性使得该水凝胶蒸发器在1 kW m^?2的辐照下，在纯水中实现了2.034 kg m^?2 h^?1的蒸发速率和90.03%的能量效率。同时，这种水凝胶蒸发器对重金属离子废水、有机染料废水和酸碱废水也表现出显著的净化能力。此外，它在15%的盐溶液中表现出极强的耐盐性和自清洁能力，使其成为海水淡化的实用解决方案。这种简单、通用且低成本的策略有望为未来的设计和制造提供可扩展和可持续的解决方案，为多样化的、高效且更具成本效益的光热转换设备开辟新的途径。

引言

全球三分之一的人口面临水资源短缺的问题[1]、[2]、[3]、[4]。为了缓解水资源短缺的严峻形势，废水净化和海水淡化技术已成为关键的研究领域[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。其中，太阳能驱动的界面蒸发技术因其先进性而脱颖而出。该技术利用清洁和可持续的太阳能作为SDIE系统的唯一能源输入，将其转化为热能以实现可持续的海水淡化和水净化，已成为水蒸发技术的研究热点[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。作为SDIE的核心组成部分，光热转换材料必须具有优异的热局部化性能、宽光谱光吸收能力、良好的亲水表面和用于水传输的互连通道。通过关注这些核心要素，太阳能界面水蒸发系统将能够实现更高效和节能的运行性能[15]、[16]、[17]。用于SDIE的光吸收材料包括金属纳米材料、半导体材料、聚合物材料、碳材料等[18]、[19]、[20]。这些材料由于其宽光谱太阳能光吸收能力、高效的光热转换能力和快速的水传输特性而在界面蒸发材料中得到广泛应用[21]、[22]、[23]。其中，像氧化石墨烯、碳纳米管、活性炭和碳纤维这样的碳基材料因其高光吸收率、低热损失和良好的机械稳定性而被用作界面水蒸发的优秀吸收剂[24]、[25]。

在各种碳材料中，生物炭因其丰富的来源、可再生性和低成本而被广泛使用。生物炭的制备方法简单，主要是通过生物质前体的高温碳化和其他物理和化学过程实现的。因此，生物炭材料在光热转换材料中的应用不仅进一步降低了光热材料的生产成本，还体现了“变废为宝”的理念。迄今为止，研究人员已经探索了稻壳、甘蔗渣、玉米芯和动物羽毛等生物质材料在光热材料研究中的应用[5]、[18]、[26]。

此外，金属纳米颗粒在光照射下通过激发局部表面等离子体产生光热效应，发挥着不可替代的作用。因此，金、铜和铂等各种类型的金属纳米颗粒被用作吸收材料。最新的研究表明，由不同材料组成的混合光热结构可以整合多种组件的优点，从而突破单一材料的局限性。因此，将金属纳米颗粒负载到碳材料上已被广泛应用[27]、[28]、[29]、[30]。例如，万团队将纳米金属材料Au与碳量子点（CDs）结合，制备了一种复合光热转换材料，利用Au和CDs的协同效应提高了光吸收强度。该材料在1 kW m^?2的辐照下实现了97.10%的光热转换效率和690 kg m^?2的蒸发速率。然而，由于成本高、工艺复杂和资源稀缺，这种材料难以在实际应用中得到广泛推广[31]、[32]、[33]。

作为SDIE的材料，除了上述特性外，有效的水供应对蒸发器的水蒸发速率也有重要影响。较大的表面积、可调节的表面性质和可控的结构都有利于光热转换能力[34]、[35]。与微孔水传输相比，宏观的大规模通道显示出更明显的优势。大规模通道结构不仅有助于实现高水力传导性和扩散通量，还促进了盐的自发对流和扩散。这一过程有效地将盐向下驱动，从而防止了盐晶体的形成，否则盐离子会引起强烈的对流运动。因此，这增强了材料的耐盐性和自清洁能力。一般来说，水凝胶因其丰富的羟基、高含水量、足够的孔结构特性和良好的热局部化性能而被广泛用作太阳能热转换材料的支撑基底[36]。由水凝胶支撑的太阳能蒸发器可以通过调节聚合物网络与H₂O分子之间的氢键来降低水的蒸发焓，从而提高太阳能水蒸发的效率。此外，通过调节水凝胶的微通道结构，可以实现快速供水，从而实现高速蒸发并提高水收集和净化的效率[34]、[37]。

在本研究中，设计了一种由海藻酸钠（SA）和聚丙烯酰胺（PAM）组成的蒸发器（记为AC-CuS-HD）。将来自废弃玉米秸秆的低成本生物质碳和纳米CuS引入复合水凝胶中作为光吸收剂。同时，为了提高蒸发器的机械稳定性，通过Ca²⁺交联形成了互穿的水凝胶网络结构。在1 kW m^{?2?2 h?1}

材料

材料

玉米秸秆来源于中国甘肃省的农田。乙醇、过硫酸铵（APS）、N,N′-甲基双丙烯酰胺（MBA）和丙烯酰胺（AAM）从安徽泽生科技有限公司购买。海藻酸钠（SA）、五水合硫酸铜（CuSO₄·5 H₂O）、五水合硫代硫酸钠（Na₂S₂O₃·5 H₂O）和氯化钙（CaCl₂从天津大茂化学试剂有限公司购买。所有化学品均直接使用，无需进一步纯化。

生物质多孔碳（AC）的制备

玉米

材料设计与结构表征

如图1所示，我们提出了AC-CuS-HD的简单制备过程。首先，依次加入完全分散的海藻酸钠（SA）、丙烯酰胺（AAM）、N,N′-甲基双丙烯酰胺（MBA）和过硫酸铵（APS）。在35 ℃下，通过充分搅拌形成均匀溶液。在此过程中，以MBA作为交联剂、APS作为引发剂、AAM作为主要单体，通过自由基聚合和MBA的化学交联，形成了交联的网络聚合物骨架，提供了基础

结论

在这项工作中，我们报道了一种通过简单的碳化过程从玉米秸秆制备的低成本生物质基活性炭，并同时掺入了纳米CuS，该活性炭具有优异的光吸收性能，用于制备化学交联的双网络改性水凝胶蒸发器。这种蒸发器显著降低了制备成本，并通过生物质基活性炭的协同效应有效提高了蒸发器的性能

CRediT作者贡献声明

夏江：撰写——原始草稿、资源获取、调查。达娃丹增：正式分析、数据管理。辛莉：监督、正式分析。严菊静：监督、调查、正式分析。赵柳：验证、方法论、正式分析。纪艳丽：监督、资源获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了甘肃省高校青年博士毕业生支持计划（2025QB-107）、2025年省级人才支持计划（X2025RC-05）、国家自然科学基金（52366006）、甘肃省高等教育创新基金项目（2025A-028）、甘肃省飞天学者杰出教授计划、兰州大学鸿流杰出青年人才支持计划的支持