界面工程化的碳纳米管(CNT)/聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT: PSS)复合海绵用于太阳能驱动的水净化和染料去除以实现环境可持续性

《Polymer Journal》：Interfacially engineered carbon nanotube/PEDOT: PSS composite sponge for solar-driven water purification and dye removal for environmental sustainability

　　

传统海水淡化等水净化方法受到了广泛关注。然而，这些方法的广泛应用受到高运行成本、过高能耗和二次环境污染的阻碍。因此，开发节能且环境友好的光热材料至关重要。在这项工作中，研究人员通过冷冻干燥法制备了由多壁碳纳米管(MWCNTs)和聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT: PSS)组成的3D大孔复合泡沫。所得海绵在太阳能驱动界面水蒸发(SIWE)、有机染料的高效吸附和强大的抗污性能方面均实现了出色的性能。通过改变化学组成，可以精确控制这些海绵的光吸收能力和表面亲水性。由于改善了宽带光吸收和促进了水传输，MWCNTs和亲水性聚环氧乙烷(PEO)掺入3D海绵框架中显著提高了蒸发性能。此外，MWCNT/PEDOT: PSS海绵对亚甲基蓝(MB)和甲基橙(MO)具有高吸附容量，能够实现同时脱盐和污染物去除。这些结果表明，界面工程化的3D MWCNT/PEDOT: PSS复合海绵是高效太阳能驱动水净化和可持续环境修复的合适平台。

论文解读：界面工程化的碳纳米管/PEDOT: PSS复合海绵用于太阳能驱动水净化及染料去除

全球淡水资源的压力正因人口快速增长、工业化、环境污染和气候变化而加剧，导致世界范围内严重的缺水问题。海水淡化和水净化是增加可用淡水资源供应的最有效方法之一。然而，目前盛行的方法如海水反渗透(SWRO)存在固有的局限性，包括强制预处理、高操作压力、大量能耗（约3 kWh m^-3）和相当多的碳排放（约1.4 kg CO₂m^-3），且对高盐度水因膜污染和结垢问题而无效。因此，迫切需要满足可持续、低能耗和环境无害的淡化与净化方法。太阳能-热能转换利用太阳辐射产生热量进行水蒸发而无需外部能量输入，已成为解决全球水危机的一种有前景的方案。最近，基于先进光热纳米材料的太阳能驱动界面水蒸发（SIWE）系统被广泛探索，这些材料包括金属纳米颗粒、金属氧化物和碳基材料。其中，碳质材料如石墨烯和多壁碳纳米管（MWCNTs）具有宽带光学吸收和优异的化学稳定性，是合适的光热候选材料。然而，这些材料的本征疏水性阻碍了水从本体相到蒸发界面的有效传输，导致长期运行期间供水不足和严重的盐污染。导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT: PSS）本征亲水，并且由于其独特的电子结构可以吸收大部分近红外（NIR）太阳辐射，是一种聚合物光热吸收剂。基于此，研究人员报告了通过冷冻干燥法，使用3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷（GOPS）作为交联剂，制备双功能MWCNT/PEDOT: PSS海绵。该MWCNT/PEDOT: PSS复合海绵整合了高效的太阳能-热能转换、快速水传输、有机染料吸附和生物防污性能于单一可扩展的材料平台中，凸显了其在结合淡化、废水处理和长期环境韧性的可持续水净化技术中的强大潜力。该论文发表在《Polymer Journal》。

研究人员采用的关键技术方法包括：通过高剪切均质化结合探针超声处理将MWCNTs均匀分散在PEDOT: PSS溶液中，随后利用冷冻干燥技术制备3D大孔复合海绵，并采用热交联固化；利用扫描电子显微镜（SEM）观察微观形貌，汞侵入孔隙度法分析体密度、孔隙率和孔径，傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行结构表征；通过红外热成像和热电偶测量评估太阳能-热能响应及表面温度；在1太阳光照（1000 W m^-2）下测试界面水蒸发速率和太阳能-蒸汽能量转换效率，并利用电感耦合等离子体光学发射光谱（ICP-OES）分析脱盐后的离子浓度；使用紫外-可见分光光度计量化亚甲基蓝（MB）和甲基橙（MO）的吸附去除效率；采用活/死荧光染色法及牛血清白蛋白（BSA）吸附定量评估材料的抗污性能。

研究结果主要如下：

基于海绵器件的制备与表征：研究人员通过超声混合、冷冻干燥及随后的热交联过程，制备了掺入MWCNTs、GOPS和PEO的PEDOT: PSS复合海绵。通过精确控制组成（MWCNTs 0和1 wt%，GOPS 1、3和10 wt%，PEO 0、1和3 wt%），获得了具有不同亲水性、吸水能力、光热转换效率和污染物吸附性能的3D大孔架构。将2 mm厚的复合海绵（如C1G1P1）集成在疏水聚偏二氟乙烯（PVDF）膜过滤器上，PVDF膜背面通过CO₂激光加工圆孔以提供毛细管芯吸连续供水，组装成SIWE器件。

PEDOT: PSS复合海绵的形貌表征：所有样品均表现出高度互连网络的大孔架构，这是冷冻干燥过程的典型特征。随着PEO含量增加，孔壁明显变厚，膜状结构数量增加，从而调节大孔形态和互连性。GOPS含量增加使平均孔壁厚度略微增加。这些渗透孔网络为通过毛细管芯吸的水传输提供了有效路径，且多孔表面提高了入射太阳辐射的散射，显著增加了太阳能到热能的转换效率。掺入1 wt% MWCNTs减小了中值孔径，C1G1P1样品具有最高孔隙率（99.2%）和最小中值孔径（27.0 μm）。GOPS的掺入通过PSS链的-SO₃^-基团与GOPS的环氧基之间的交联反应有效防止了冻干支架溶解。

PEDOT: PSS复合海绵的结构表征：FTIR光谱确认了C1G1P1复合海绵成功形成了包含MWCNTs、PEDOT: PSS和PEO的多组分亲水复合材料，分别保留了各成分的振动特征（如CNT C=C伸缩约1620 cm^-1，PEDOT C-O-C振动约1230 cm^-1，PEO醚C-O-C伸缩约1100 cm^-1）。3200-3350 cm^-1处明显的宽O-H吸收带揭示了涉及磺酸盐、醚和羟基基团的强氢键网络形成，这解释了C1G1P1海绵改进的吸水能力。

PEDOT: PSS复合海绵的吸水能力和体密度：吸水行为源于水凝胶基质内聚合物线圈溶胀和多孔亲水海绵结构产生的毛细管压力的共同作用。吸水能力随GOPS和PEO含量增加而降低，表明较高的体密度不适合吸水，因为致密的固体框架限制了聚合物网络的溶胀并减少了总体吸水量。C0G1P0样品体密度最低（0.039 g mL^-1），在去离子水、PBS和海水中分别达到最高吸水值24.2、24.2和22.0 g g^-1。多孔支架的本征架构而非周围溶液的离子强度控制吸水行为。液体置换法测定的体密度随PEO和GOPS含量单调增加，与汞孔隙度法结果一致。选择含1 wt% GOPS的PEDOT: PSS复合海绵进行后续光热研究，因其优越的吸水性能。

PEDOT: PSS复合海绵的太阳能-热性能：在1太阳光照下，干海绵的稳态温度（T_s）因MWCNTs的宽带光吸收，从C0G1P0的57.7°C增加到C1G1P0的62.7°C；而C1G1系列中T_s随PEO含量增加逐渐降低，这与复合海绵中PEDOT和MWCNT总含量降低相关。含PEO的样品（如C1G1P1）表现出比冷却速率快得多的加热速率，源于PEO和PEDOT: PSS的低固有热导率及其在空气填充多孔架构中的掺入进一步降低了复合海绵的有效热导率，有利于光照下的快速热量积累和关灯后的缓慢散热。在湿状态下，C1G1P0虽具有最高T_s（56.3°C）但也伴随极高的总热损失（51.35%），不适合SIWE过程；而C1G1P1和C1G1P3的总热损失显著降低至26.12%和21.97%，在有效光吸收和减少总热损失间实现了优化平衡。

复合海绵的润湿性和供水研究：PEO掺入显著提高了微通道的表面亲水性，C1G1P1的水接触角（WCA）在0.045秒内从86°迅速降至0°，表明超亲水行为；而无PEO的C1G1P0具有大体接触角124°且超过10分钟仅略微降至113°，润湿性差。超亲水海绵建立了与水表面的紧密连续接触，实现了到蒸发界面的高效持续供水。

复合海绵的太阳能-热性能：在1太阳光照下，C1G1P1器件对去离子水的蒸发速率为1.04 kg m^-2h^-1，是空白条件（0.23 kg m^-2h^-1）的4.52倍；对海水也表现出最高蒸发速率。在不同太阳强度（500-2000 W m^-2）下，C1G1P1在500 W m^-2时蒸发速率为0.68 kg m^-2h^-1，太阳能-蒸汽转换效率高达92.6%；在2000 W m^-2时蒸发速率增至1.57 kg m^-2h^-1，效率降至53.6%。当集成热绝缘苯乙烯泡沫封装后，C1G1P1和C1G1P3在海水面1太阳光照下稳态蒸发速率分别达1.56和1.62 kg m^-2h^-1，表观能量转换效率分别为106.35%和110.39%（超过100%归因于来自周围环境如环境空气和本体水的额外热量输入）。ICP分析证实，原海水中主要离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）浓度分别从4371降至0.837 mg L^-1、225降至0.704 mg L^-1、217.5降至0.635 mg L^-1、686.9降至0.059 mg L^-1，均满足世界卫生组织（WHO）饮用水标准。

MWCNT/PEDOT: PSS复合海绵对有机染料的去除性能：所有海绵样品对带正电的亚甲基蓝（MB）均表现出高去除效率，C1G1P1在8小时内达到96.4% MB去除（吸附容量15.12 mg g^-1），源于MB与PSS带负电磺酸盐基团间的强静电相互作用。对于带负电的甲基橙（MO），无MWCNTs掺入的样品吸附性能差，而添加MWCNTs后MO去除效率从C0G1P1的42%（2.08 mg g^-1）显著提高至C1G1P1的91.3%（4.52 mg g^-1），归功于MWCNTs的高比表面积和额外吸附位点。C1G1P3对MB和MO的吸附符合伪二阶（PSO）动力学模型。该复合海绵不仅作为高效界面太阳能蒸汽发生器，还作为有机染料的高效吸附剂。

讨论部分总结：研究人员将MWCNT/PEDOT: PSS复合海绵与代表性的SIWE材料（如石墨烯泡沫、CNT气凝胶、PEDOT: PSS水凝胶和等离子体激元吸收剂）进行了比较。虽然一些石墨烯基泡沫蒸发速率可达约2.3-2.4 kg m^-2h^-1，垂直排列CNT气凝胶可达约3.26 kg m^-2h^-1，PEDOT: PSS基水凝胶可达约2.5-2.84 kg m^-2h^-1，等离子体激元吸收剂约1.17-2.29 kg m^-2h^-1，但本研究的C1G1P3复合海绵在1太阳光照下蒸发速率约1.62 kg m^-2h^-1，接近理论太阳能-蒸汽极限（约1.47 kg m^-2h^-1），且独特地集成了高效太阳能驱动界面蒸发、染料吸附能力、抗污行为和通过冷冻干燥的直接制备于组成可调的大孔框架中。这些组合功能扩展了PEDOT: PSS基SIWE材料超越淡化的实际范围，使同时水净化和污染物去除成为可能，增加了其用于可持续水处理应用的潜力。

研究结论翻译：在这项研究中，研究人员通过冷冻干燥制备了3D MWCNT/PEDOT: PSS复合海绵器件，并证明其作为高效SIWE器件和有机染料去除高性能吸附剂的双重功能。冷冻干燥架构形成了高度互连的亲水孔网络，使通过毛细管芯吸的快速连续水传输成为可能。此外，MWCNTs和PEDOT: PSS的掺入提供了宽带光吸收和高效光热转换，使入射太阳能有效转化为用于界面蒸发的局部热量。通过优化组成、孔隙率、润湿性和热管理，C1G1P1海绵器件在0.5太阳光照下实现了92.6%的太阳能-蒸汽转换效率。当其与苯乙烯泡沫封装集成以抑制热损失时，器件在1太阳光照下实现近100%表观能量转换效率和1.56 kg m^-2h^-1的高水蒸发速率。除淡化外，MWCNTs引入的大比表面积和丰富吸附位点实现了高效染料去除，MB和MO去除效率分别达96.4%和91.3%。此外，PEO修饰的表面通过有效抑制细胞粘附提供了独特的抗污性能，表明改善了长期操作稳定性。因此，这种多功能MWCNT/PEDOT: PSS复合海绵将高效太阳能-热能转换、快速水传输、有机染料吸附和生物污损阻力整合在单一可扩展材料平台中，凸显了其在结合淡化、废水处理和长期环境韧性的可持续水净化技术中的强大潜力。