该研究提出并开发了一种具有光热-光催化双功能的新型水凝胶太阳能蒸发器，旨在同时实现高效海水淡化和有机污染物降解。研究者通过表面功能化-双交联策略，成功构建了以碳包覆二氧化钛（TiO₂@C）纳米颗粒为核心的光热-光催化材料，并将其嵌入聚丙烯酰胺/海藻酸钠（PAM/SA）双网络水凝胶基质中。该水凝胶具备多孔结构，有利于水分传输和污染物吸附，同时TiO₂@C核壳结构显著增强了材料的光吸收能力和光生载流子分离效率。

      实验结果表明，该TiO₂@C/PAM/SA水凝胶在标准太阳光照射下，实现了高达2.97 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发速率和92.13%的光热转换效率，同时其对有机染料（如亚甲基蓝）的光催化降解效率达到84.37%。此外，该材料在处理高盐度海水和含重金属离子的废水方面也表现出卓越性能，离子去除率超过99.9%，并具备良好的长期稳定性和抗盐结晶能力。

      该研究不仅提供了一种高效、低成本（约154.14美元/平方米）的太阳能水净化材料，还通过将光热蒸发与光催化降解 功能有机结合，为复杂水体的综合治理开辟了新路径，具有重要的实际应用前景。

图1. 双功能纳米二氧化钛@C的制备与表征。(a)制备纳米二氧化钛@碳的示意图。(b-c)二氧化钛@PDA和(d-e)二氧化钛@碳纳米颗粒的电子显微镜图像。(f)二氧化钛@碳纳米粒子的电子显微镜图像和相应的碳(C)、氧(O)和钛(Ti)的能谱图谱(g-i)。(j)纳米二氧化钛@碳的粒度分布。(k)二氧化钛、二氧化钛@PDA和二氧化钛@碳纳米颗粒的XPS和(l)FTIR光谱。

图2.双功能二氧化钛@C/PAM/SA水凝胶太阳能蒸发器的制备与表征。(a)二氧化钛@C/PAM/SA水凝胶制备示意图。(b)二氧化钛@C/PAM/SA水凝胶的扫描电子显微镜图像。(c)PAM/SA、二氧化钛/PAM/SA、二氧化钛@PDA/PAM/SA和二氧化钛@C/PAM/SA水凝胶的应力-应变曲线和杨氏模量。

图3.双功能二氧化钛@C/PAM/SA水凝胶太阳能蒸发器的太阳光吸收、光热转化和溶胀性能。(a)估算了纳米二氧化钛、二氧化钛@PDA和二氧化钛@碳纳米粒子的带隙。(b)PAM/SA、TiO₂/PAM/SA、TiO₂@PDA/PAM/SA和TiO₂@C/PAM/SA水凝胶的UV-Vis-NIR吸收光谱。(c)PAM/SA、TiO₂/PAM/SA、TiO₂@PDA/PAM/SA和TiO₂@C/PAM/SA水凝胶在单日照下的温度变化。(d)在一个太阳辐射下，TiO₂@C/PAM/SA水凝胶的顶表面红外温度图像。(e)PAM/SA、TiO₂/PAM/SA、TiO₂@PDA/PAM/SA和TiO₂@C/PAM/SA水凝胶的水接触角。(f)PAM/SA、二氧化钛/PAM/SA、二氧化钛@PDA/PAM/SA和二氧化钛@C/PAM/SA水凝胶的饱和含水率。

图4.双功能TiO₂@C/PAM/SA水凝胶太阳能蒸发器的界面太阳能蒸汽产生性能。(a)界面太阳能蒸汽产生装置示意图。(b)PAM/SA、TiO₂/PAM/SA、TiO₂@PDA/PAM/SA和(c)TiO₂@C/PAM/SA水凝胶在一次太阳照射下的质量变化和蒸发速率。(d)计算了PAM/SA、TiO₂/PAM/SA、TiO₂@PDA/PAM/SA和TiO₂@C/PAM/SA水凝胶的当量热焓和相关能量效率。(e) TiO₂@C/PAM/SA水凝胶在不同光照(0.5-1.5太阳)下的蒸发速率。(f)与已报道的二氧化钛基光热材料的蒸发率和能效的比较。(g)测量模拟海水样品和蒸发水中的TiO₂@C/PAM/SA水凝胶的盐度。(h)污水样品和蒸发水中Cr³⁺、Mn²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Pb²⁺的浓度和截留率。

图5.双功能二氧化钛@C/PAM/SA水凝胶太阳能蒸发器的降解性能。(a)PAM/SA、TiO2/PAM/SA、TiO₂@PDA/PAM/SA和TiO₂@C/PAM/SA水凝胶对甲基溴的光降解曲线和(b)降解效率。(c)PAM/SA、TiO₂/PAM/SA、TiO₂@PDA/PAM/SA和TiO₂@C/PAM/SA水凝胶动力学曲线符合准一级反应模式。(d)20 mg L⁻¹和50 mg L⁻¹ MB的降解率及纯化前后溶液颜色的比较。(e) TiO₂@C/PAM/SA水凝胶的协同光热和光催化降解机理示意图。

原文链接：https://webofscience.clarivate.cn/wos/woscc/full-record/WOS:001478696500001