双功能NiCo?O?纳米纤维/壳聚糖气凝胶：用于高效太阳能蒸发和细菌去除

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Dual-functional NiCo 2O 4 nanofibers/chitosan aerogel for efficient solar evaporation and bacterial removal

太阳能驱动蒸发器研究：采用NiCo?O?纳米纤维/壳聚糖复合气凝胶与聚氨酯海绵双层结构，实现96.42%全光谱吸收和2.23 kg/m2·h的高蒸发效率，具备盐耐受性、稳定性及94%抗菌率，为海水淡化提供新方案。

　　

黄高立|陈珊|罗仁峰|薛丽艳|陈恒|谭凤志|黄敏忠|刘兆利|杨帆

大连理工大学轻工与化学工程学院，中国大连 116034

摘要

太阳能驱动的界面蒸发为全球水资源危机提供了一种有前景的解决方案。然而，使用现有材料开发低成本多功能蒸发器仍面临挑战。在此，我们开发了一种双层蒸发器，由NiCo₂O₄纳米纤维/壳聚糖复合气凝胶（顶层）和聚氨酯（PU）海绵（底层）组成。顶层在整个光谱范围内实现了96.42%的光吸收率，而底层有效减少了热量损失并确保了持续供水。该蒸发器在单次太阳光照下可实现2.23 kg/m²·h^?1的高蒸发率，并具有良好的耐盐性和优异的稳定性。特别是在自然光条件下，室外实验中9小时的时间内，产水量达到了17.03 kg/m²。此外，NiCo₂O₄纳米纤维/壳聚糖气凝胶对大肠杆菌的抗菌率高达94%。本研究提出了一种具有高蒸发效率和强抗菌活性的双功能复合气凝胶，有望应用于海水淡化。

引言

由于人口增长、全球变暖和快速工业发展，对淡水资源的需求不断增加，导致全球严重短缺[1]。尽管地球表面大部分被水覆盖，但约97%的水是海水，不适合直接饮用或农业使用。传统的海水淡化技术主要包括膜基（如反渗透）[2]和热基（如多级闪蒸和多效蒸馏）[3]方法，但这些方法严重依赖化石燃料，加剧了环境问题。相比之下，太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）作为一种海水淡化和废水净化的有前景的解决方案，在成本效益、能源效率和环境可持续性方面具有显著优势[4],[5],[6]。

SDIE系统的关键组成部分是光热材料，它负责吸收阳光并将其转化为热能。已经探索了多种光热材料，包括金属基材料[7],[8]、碳基材料[9],[10],[11]、无机半导体材料[12]和有机聚合物[13],[14]，用于界面蒸发。然而，SDIE系统的实际应用效果远未达到预期目标[15]。这主要是由于盐分积累、热量损失或生物污染等挑战，这些因素影响了其长期效率和耐用性[16],[17]。因此，理想的界面蒸发器必须同时具备宽光谱的太阳光吸收能力、耐盐性、高效的水传输能力，并具有抗菌或污染物降解等辅助功能。

提高SDIE效率的关键在于选择具有高全光谱太阳光吸收率和优异光热转换效率的光热材料[18]。与吸收峰窄且成本高的金属基材料相比，半导体更适合需要利用宽光谱阳光的宏观应用。虽然碳基材料具有宽光谱吸收和高导热性，但其功能相对有限。半导体材料由于其独特的电子结构，能够实现光热、光电和光化学效应的协同作用，使其在催化和环境修复等领域具有独特的多功能潜力[19],[20],[21],[22]。例如，程等人开发了一种基于纳米花状NiCo?O?的海水蒸发器，在单次太阳光照下实现了1.94 kg/m²·h^?1的蒸发率，并具有96.5%的光吸收率[23]。杨等人使用MoS?纳米片制备了一种光热薄膜，在单次太阳光照下表现出96.5%的光吸收率和91.5%的光热转换效率[24]。董等人通过水热反应合成了Fe₃O₄纳米颗粒，以这种颗粒为基底的蒸发器在单次太阳照射下实现了1.53 kg/m²·h^?1的蒸发率和93.27%的蒸发效率，同时在一小时内降解了96%以上的有机污染物[25]。尽管取得了这些进展，但复杂的制备过程往往阻碍了半导体的实际应用。因此，探索简单高效的技术来调整半导体形态对于提高太阳光吸收和利用至关重要。

除了材料选择外，合理设计光热层结构也是提高SDIE性能的另一个关键策略。这种设计旨在最小化光反射并促进高效的水传输[18]。气凝胶具有由纳米级固体骨架组成的三维纳米多孔结构，其高度互联的通道不仅确保了高效的水供应，还通过内部散射最大化了阳光的利用[26],[27]。因此，将光热材料与气凝胶基质结合已成为构建先进SDIE系统的主要方法[22],[28]。例如，李等人使用定向冷冻法制备了环糊精聚合物/壳聚糖复合气凝胶，在单次太阳照射下的蒸发率为1.85 kg/m²·h^?1[29]。王等人制备了一种3D Janus结构的MXene/纤维素纳米纤维/丝瓜络气凝胶，用于太阳能界面海水蒸发，在单次太阳照射下的光热转换效率高达91.20%[30]。然而，低成本、多孔且环保的SDIE材料仍然是一个挑战[31],[32]。壳聚糖作为一种丰富且经济实惠的生物聚合物，由于其丰富的亲水基团、独特的物理化学性质和优异的稳定性，是制备气凝胶基质的理想候选材料[28],[33],[34]。

在这项工作中，我们首先通过电纺技术制备了NiCo₂O₄纳米纤维，实现了约96.91%的全光谱太阳光吸收率。在此基础上，通过定向液氮冷冻辅助冷冻干燥制备了NiCo₂O₄纳米纤维/壳聚糖复合气凝胶。NiCo₂O₄纳米纤维提供了强大的“光热性能”，而壳聚糖则提供了安全可靠的“载体和平台”。该气凝胶具有内部垂直通道，可以高效利用光、供水和排盐。此外，它表现出显著的抗菌活性，对大肠杆菌的抑制率高达94%。然后在底部组装了PU海绵，形成了一个太阳能界面蒸发器。在实验室模拟的1太阳光照条件下，该蒸发器的蒸发率为2.23 kg/m²·h^?1，光热转换效率为87.54%。在连续15天内每天运行6小时，3.5 wt%的盐水中，其蒸发率保持在约2.10 kg/m²·h^?1。此外，在9小时的户外测试中，总产水量达到了17.03 kg/m²。这些结果表明，该蒸发器具有高效的海水蒸发能力、优异的耐盐性、显著的稳定性和强大的抗菌性能，显示出在现实应用中的巨大潜力。

材料与化学品

N,N-二甲基甲酰胺（DMF）（99.9%）、聚维酮（PVP，M_w = 1300000 g/mol）、氢氧化钠（NaOH）（AR）、磷酸二氢钠二水合物（NaH₂PO₄·2H₂O）（AR）、十二水合磷酸二钠（Na₂HPO₄·12H₂O）（AR）和氯化钠（NaCl）（AR）均购自上海阿拉丁工业有限公司。四水合醋酸钴（II）（C₄H₆CoO₄·4H₂O）（99.5%）、四水合醋酸镍（NiC₄H₆O₄·4H₂O）（99%）以及粘度为100-200 mPa·s的壳聚糖粉末（CS）也用于实验。

结果与讨论

通过热重分析（TGA）研究了PVP/醋酸钴/醋酸镍复合纤维在空气气氛中的热分解行为，如图S1所示。TGA曲线在室温到500°C的温度范围内显示出三个明显的重量损失阶段。第一个阶段（约200°C以下）的重量损失约为2%，主要归因于残余溶剂DMF的蒸发和物理吸附水的去除。

结论

总结来说，我们成功设计并制备了一种基于壳聚糖气凝胶基质的高效多功能双层蒸发器，用于太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）。上层的垂直排列通道实现了96.42%的全光谱吸收，从而实现了高效的光利用和盐分排斥。下层的浮动支撑结构确保了高效的水供应和热绝缘。底部的PU海绵具有足够的孔隙率，不仅

作者贡献声明

黄高立：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、实验研究、数据分析、概念化。陈珊：撰写 – 审稿与编辑、数据分析、概念化。陈恒：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据分析。谭凤志：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据分析。罗仁峰：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据分析。薛丽艳：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据分析。杨帆：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了厦门自然科学基金（编号3502Z202573100）、福建省科技计划项目（编号2024T3084）、中国科学院海西研究院自主部署项目研究计划（编号CXZX-2023-JQ07）、中国科学技术协会青年精英科学家资助计划（编号YESS20210336）、XMIREM自主部署项目（编号2023GG03和2023CX01）以及厦门自然科学基金（编号3502Z202472048）的支持。