一种由 Bi?O? 水凝胶-三聚氰胺泡沫制成的“日光浴布”蒸发器，用于高效地生成太阳能蒸汽

《Desalination》：A “solar basking cloth” evaporator constructed of Bi 2OS 2 hydrogel-melamine foam for efficient solar steam generation

太阳能蒸汽发生技术通过新型Bi2OS2凝胶-脲醛泡沫蒸发器实现高效海水淡化，其三维多级水运输系统使蒸发率达3.30 kg m?2 h?1，纯净水符合WHO标准。

　　

杨玉定|卢笛|刘宇涵|程思航|刘翠梅|李阳光|王秀丽

中国辽宁省渤海大学化学系，邮编121000

摘要

太阳能驱动的蒸汽生成（SSG）技术作为解决全球水资源危机的突破性方案，不仅为清洁淡水供应开辟了绿色途径，还为能源与环境协同治理提供了创新范式。尽管在学术上已取得显著进展，但克服蒸发速率和能量转换效率的瓶颈对于实际应用仍至关重要。本研究开发了一种基于硫化铋氧化物的水凝胶-三聚氰胺泡沫蒸发器（简称Bi₂OS₂ Gel-MF），该蒸发器通过合成新型Bi₂OS₂纳米片并借鉴传统“晒太阳布料”的结构，实现了三维多层次的水传输系统。在这种系统中，亲水的三聚氰胺泡沫框架充当“水传输动脉”，持续向表面的“蒸发层”（Bi₂OS₂水凝胶）供水，从而实现快速的水传输和蒸发。在标准太阳辐照下，Bi₂OS₂ Gel-MF的蒸发速率为3.30 kg m^-2 h^-1，表现出长期稳定性和耐用性。此外，该结构在海水淡化应用中也表现出优异的性能。

引言

气候变暖、工业废水以及高盐度卤水加剧了淡水资源的短缺，导致全球淡水危机日益严重[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11]。为了应对对可持续水资源管理的需求，太阳能蒸汽生成技术的研究与发展受到了越来越多的关注[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]。目前，太阳能蒸汽生成技术具有多重优势：它利用可再生能源在整个过程中实现零碳排放；设备投资和运营成本低；在离岸岛屿和干旱地区等复杂环境中具有出色的适应性；其系统循环模型具备长期可持续运行的潜力[19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]。尽管在创新研究方面取得了许多成果，但蒸发速率和能量利用率仍未能达到实际应用标准。因此，许多研究人员致力于开发与太阳能蒸汽生成设备兼容的高效太阳能热转换材料，以进一步提升蒸发性能和能量利用率。

最近，包括硫化铋和硫化铋氧化物在内的系列铋基硫化物因其优异的电子和光学特性而成为金属硫化物半导体中的佼佼者[26], [27], [28], [29], [30]。铋基硫化物的独特电子结构使其具有合适的紫外-可见光响应带隙，并表现出优异的光热性能和稳定性[31], [32], [33], [34]。此外，这些材料无毒、形态可调且成本低廉，天然储量丰富，非常适合用于太阳能光热应用[35]。例如，杨等人开发了一种Bi₂S₃/Pd复合太阳能蒸发器，在标准太阳辐照下，其光吸收率为97%，光热转换效率为97%，蒸发速率高达1.61 kg m^-2 h^-1[36]。目前，关于硫化铋氧化物在太阳能蒸汽生成领域的应用研究尚不多。这主要是由于硫化铋氧化物合成难度较大，因为铋盐容易水解成氧化铋。此外，产物中常含有其他副产物（如Bi₂O₂S、Bi₂OS₂或Bi₄O₄S₃[31], [32], [37], [38]。因此，该领域的主要挑战在于精确合成硫化铋氧化物并构建具有高光热转换和蒸发性能的光热蒸发器。

针对这些挑战，本研究通过控制合成方法制备了具有优异结晶性的新型Bi₂OS₂纳米片，并进一步设计了具有“晒太阳布料”结构的硫化铋氧化物水凝胶-三聚氰胺泡沫蒸发器（简称Bi₂OS₂ Gel-MF，见图1）。利用Bi₂OS₂纳米片的优异分散性和二维特性，它们在水凝胶基质中均匀分布，形成光热转换位点。这种优势结合独特的三维“晒太阳布料”结构，显著提高了Bi₂OS₂ Gel-MF的太阳能捕获效率和光热转换性能。此外，三聚氰胺泡沫骨架作为“供水动脉”，通过毛细作用持续向Bi₂OS₂ Gel“蒸发层”供水，加速了水分蒸发。在48小时的连续海水淡化过程中，Bi₂OS₂ Gel-MF的蒸发速率达到了3.30 kg m^-2 h^-1，且表面未发生结晶。同时，Bi₂OS₂ Gel-MF还表现出优异的淡化性能和蒸发速率，净化后的水质符合世界卫生组织（WHO）规定的饮用水标准。本研究不仅扩展了功能材料体系，还通过结构和功能的协同优化，推动了太阳能蒸汽生成、海水淡化和水处理等领域的发展。

3D Bi₂OS₂ Gel-MF的制备与结构表征

图1展示了具有“晒太阳布料”结构的硫化铋氧化物水凝胶-三聚氰胺泡沫（Bi₂OS₂ Gel-MF）复合材料的示意图。首先，以硝酸铋为金属源、二硫苏糖醇为硫源、聚维吡咯烷酮为形貌控制剂，通过简单的热溶液法制备了二维Bi₂OS₂纳米片。这些纳米片具有纳米级尺寸和优异的分散性，能够均匀分散在水凝胶中。

结论

总之，本研究首次设计并合成了新型Bi₂OS₂纳米片光热半导体材料，并优化了其结构形态。利用Bi₂OS₂纳米片的光热性能、均匀尺寸和优异分散性，我们通过水凝胶与三聚氰胺泡沫结合的方法，设计了具有“晒太阳布料”结构的Bi₂OS₂ Gel-MF蒸发器。

2D Bi₂OS₂纳米片的合成

首先，将0.2 mmol的二硫苏糖醇（DTT）和0.1 mmol的硝酸铋依次溶解在乙二醇溶液中，然后在80°C下搅拌2小时。随后加入200 mg的聚维吡咯烷酮（PVP），继续反应2小时。接着向反应体系中加入320 μL的2 M氢氧化钠水溶液，将混合物加热至180°C并保持该温度6小时。反应完成后...

缩写说明

SSG
太阳能蒸汽生成
Bi₂OS₂ Gel-MF
硫化铋氧化物水凝胶-三聚氰胺泡沫蒸发器
MF
三聚氰胺泡沫
TEM
透射电子显微镜
HRTEM
高分辨率透射电子显微镜
SAED
选区电子衍射
EDX能量色散X射线光谱
XPSX射线光电子能谱
WHO
世界卫生组织
EPA
环境保护署
DTT二硫苏糖醇
PVP聚维吡咯烷酮

CRediT作者贡献声明

本手稿由所有作者共同完成。所有作者均已批准最终版本。

资助来源

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22071020、22205034、22278446、22271021）以及辽宁省博士研究启动基金计划（项目编号：2025-BS-0803、0725092001、07251001002）和渤海大学校级基金项目（项目编号：0524xn050、0523bs042、0523bs039）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

感谢国家自然科学基金、吉林省科学技术厅和渤海大学对本研究的财政支持。