将废弃电池中的材料重新利用，制成等离子体光热膜，以实现高效的太阳能驱动蒸发和淡水生产

《Journal of Environmental Management》：Repurposing spent battery waste into plasmonic photothermal membrane for efficient solar-driven evaporation and freshwater production

光热材料通过废弃电池粉末与银纳米颗粒复合制备，利用树皮酸辅助原位还原法将AgNPs负载于SBP表面，真空过滤涂覆于纤维素膜，实现1 sun下2.44 kg·m?2·h?1蒸发率及88.93%太阳能蒸汽效率，兼具优异循环稳定性、抗化学腐蚀性和高效海水淡化能力，为电子废弃物资源化提供新策略。

　　

穆罕默德·扎克里亚·塔里克（Muhammad Zakria Tariq）|阿尼梅什·罗伊（Animesh Roy）|炳基·金（Byungki Kim）|允熙·韩（Youn-Hee Han）|尚云·金（Sang-Youn Kim）|邦基·李（Bong-Kee Lee）|成杰·朴（Sung Jea Park）

韩国技术教育大学先进技术研究中心，全罗南道天安市，31253，大韩民国

摘要

淡水短缺是一个日益严重的全球性挑战，影响着数十亿人。传统的海水淡化方法受到能源消耗高、运营成本高昂以及产生二次污染物的限制。最近，太阳能驱动的水蒸发技术作为一种环保替代方案应运而生，在其中，光热材料的设计对整体性能起着关键作用。许多现有材料成本高昂且对环境有负面影响，这凸显了寻找可持续、低成本解决方案的必要性。在这项研究中，我们提出了一种新型光热材料，该材料由回收率较低的废旧电池粉（SBP）制成，并通过等离子体银纳米颗粒（AgNPs）进行功能化处理。AgNPs通过单宁酸辅助的原位还原工艺沉积在SBP上，形成SBP-Ag颗粒，随后通过真空过滤将其涂覆在纤维素膜上。所得到的SBP-Ag膜表现出强烈的太阳光吸收能力、快速的光热转换效率以及优异的稳定性。在1太阳光照条件下，其蒸发速率达到了2.44 kg m^?2h^?1，太阳能蒸汽生成效率为88.93%。此外，该膜还具备良好的多循环稳定性、广泛的pH耐受性以及有效的脱盐和净水性能。这项工作展示了一种将电池废弃物转化为高性能光热材料的可持续且可扩展的方法，为利用太阳能驱动的水蒸发生产淡水提供了新的途径。

引言

淡水短缺是一个日益严重的全球性问题，其背后原因是人口快速增长、工业扩张和气候变化（Liu等人，2017年；Veldkamp等人，2017年）。全球有超过30亿人每年至少有一个月面临严重的淡水短缺问题，主要原因是水资源供需在季节性和地区性上的不平衡（Mekonnen和Hoekstra，2016年）。传统的海水淡化方法，如反渗透和多级闪蒸，已被广泛采用（Malaeb和Ayoub，2011年；Toth，2020年）。虽然这些方法在产生淡水方面效果显著，但它们仍受到高运营成本、高能源消耗以及产生二次污染物的限制（Greenlee等人，2009年；Zhao等人，2018年）。这些局限性表明，需要开发既高效又能长期保持环境可持续性的淡水生产策略（Fuzil等人，2021年）。太阳能驱动的水蒸发技术，也称为太阳能蒸汽生成（SSG），是一种有前景的方法，它利用丰富的阳光和咸水及废水资源来提供可持续的淡水生产方案（Sun等人，2022年；Cao等人，2023年；Zhang等人，2019年）。

太阳能驱动的水蒸发研究旨在开发能够有效吸收太阳光并将其转化为热能的光热材料（Dao等人，2020年；Wang等人，2020年；Tariq等人，2021年）。通常，不同的基底材料会被涂覆或改造成高吸收性的光热层，以实现高效的光能到热能的转换。作为太阳光吸收剂，已经探索了多种材料，包括碳基材料（Yang等人，2020年；Dao和Choi，2018年）、生物材料（Ma等人，2020年；Li等人，2018年）、碳化材料（Xu等人，2017年；Chen等人，2019年）、聚吡咯涂层材料（Hanif等人，2022年；Tariq等人，2023年）以及等离子体金属纳米颗粒（Shi等人，2021年；Sheng等人，2020年）。

近年来，人们投入了大量努力，致力于从工业和农业废弃物中开发光热材料（Aizudin等人，2022年；Gong等人，2020年；Ibrahim等人，2021年；Rengasamy和Rajaram，2023年）。在过去几十年中，电子废弃物（e-waste）的可持续管理越来越受到关注（Ismail和Hanafiah，2020年；Gao等人，2019年）。随着现代技术的发展，尤其是手机和电动汽车的普及，对可充电（二次）电池的需求不断增长。然而，一次性（不可充电）电池仍然被优先用于为小型电子设备供电，如遥控器、时钟和无线外设。由于这些电池的一次性使用特性，它们对电子废弃物的积累贡献巨大（Kiddee等人，2013年；Song等人，2017年；Gallegos等人，2013年）。最近的电驱动膜技术和电膜结晶技术表明，从废旧锂离子电池浸出液中选择性回收锂和过渡金属离子可以同时解决资源短缺、能源消耗和环境问题，进一步凸显了电池废弃物回收利用的广阔潜力（Qiu等人，2025年；Zhao等人，2025年）。美国每年产生约18万吨电池废弃物，而中国则产生57万吨电池废弃物（Rarotra等人，2020年）。废旧电池的常见处理方法包括填埋、湿法冶金处理和火法冶金处理（Inglezakis和Moustakas，2015年；Tanong等人，2016年；Buzatu等人，2013年）。这些处理方法往往导致高能源消耗、二次污染物的释放以及温室气体排放（Rarotra等人，2020年）。因此，为大量废旧电池找到增值应用至关重要。废旧电池中的黑色物质主要由氧化锌（ZnO）、二氧化锰（MnO₂）和碳（C）组成，具有很大的潜力。由于其回收率低、不溶于水、粉末形态具有高表面积以及低成本，使其成为SSG的理想基底。

在这项研究中，我们提出了一种由废旧电池粉（SBP）与银纳米颗粒（AgNPs）合成的新型光热材料。在等离子体材料中，AgNPs被广泛认为是一种高效的光热转换剂。在光照作用下，AgNPs表现出强烈的局部表面等离子体共振（LSPR），通过表面等离子体的共振振荡实现高效的光能到热能的转换（Haes和Van Duyne，2004年；Lu等人，2009年；Motl等人，2014年；Wang等人，2008年）。电磁辐射与等离子体金属的相互作用会引发集体电子激发，产生高能（热）电子。随后，电子-声子散射将吸收的能量以热能的形式传递给晶格；然后通过声子-声子弛豫将热能释放到周围环境中（Sim等人，2020年；Shi等人，2021年）。这种高表面等离子体共振使得金属纳米颗粒成为太阳能热能转换的理想材料（Wang等人，2017年）。在这项工作中，SBP基底与等离子体AgNPs结合，形成了一个协同作用的光热层，其中SBP提供宽带光吸收和热稳定支架，而AgNPs引入强烈的局部表面等离子体共振（LSPR），进一步增强光吸收和光能到热能的转换。

为了将AgNPs涂覆在SBP上，我们采用了一种简单的原位还原策略，使用单宁酸（TA）。TA在各种基底上具有很强的粘附能力，并且能够还原银盐（Barrett等人，2014年；Bu等人，2018年）。通过还原过程，形成了涂有AgNPs的SBP（SBP-Ag）光热材料。随后将SBP-Ag重新分散在水中，并通过真空过滤涂覆在纤维素膜上。所得复合膜在SSG中的光热性能和长期稳定性得到了系统评估。此外，还对其脱盐和净化性能进行了评估。所制备的膜在1太阳光照条件下表现出2.44 kg m^?2h^?1的蒸发速率和88.93%的太阳能蒸汽生成效率。

材料

单宁酸（TA，C₇₆H₅₂O₄₆）和硝酸银（AgNO₃）购自Sigma Aldrich（韩国）。氢氧化铵购自Junsie Chemical Co. Ltd（日本）。废旧电池（不可充电/碱性）来自各种家用和办公电子设备。整个实验过程中使用去离子水。乙醇购自Daejung Chemicals（韩国）。纤维素膜（直径55毫米，孔径20微米）购自Hyundai Micro（韩国）

结果与讨论

图1a展示了从废旧电池中提取的电池粉上涂覆AgNPs的过程。在此过程中，选择了天然多酚类物质单宁酸（TA）作为配体。首先，将SBP与TA在室温下混合。将反应混合物的pH值维持在8.0，以增强TA的亲和力。然后，通过涉及Ag离子和TA的氧化还原反应实现AgNPs的沉积。通过向TA-SBP溶液中添加Ag(NH₃)₂OH溶液来实现AgNPs的沉积。

结论

总之，这项工作展示了一种可持续且高效的方法，将具有挑战性的电子废弃物SBP转化为高性能的光热膜，用于太阳能驱动的水蒸发。通过TA辅助的原位还原，等离子体AgNPs均匀地沉积在SBP上，形成了具有增强光吸收和光热转换能力的SBP-Ag复合材料。涂有SBP-Ag的纤维素膜实现了2.44 kg m^?2 h^?1的蒸发速率和较高的太阳能到蒸汽的转换效率。

CRediT作者贡献声明

穆罕默德·扎克里亚·塔里克（Muhammad Zakria Tariq）：撰写——原始草稿、方法论、数据整理、概念化。阿尼梅什·罗伊（Animesh Roy）：撰写——审阅与编辑、方法论。炳基·金（Byungki Kim）：验证。允熙·韩（Youn-Hee Han）：研究。尚云·金（Sang-Youn Kim）：研究。邦基·李（Bong-Kee Lee）：撰写——审阅与编辑、监督、研究。成杰·朴（Sung Jea Park）：撰写——审阅与编辑、监督、研究、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）通过基础研究计划（No. 2018R1A6A1A03025526）的支持，该计划由教育部资助。此外，该研究还得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）（RS-2025–00556087）的支持。作者感谢KOREATECH的合作设备中心在SEM-EDS分析方面提供的帮助。