​东南大学代云茜：全天的太阳能蒸发平台，可从微塑料污染中收集清洁水

【科研摘要】

太阳能驱动的蒸发对于可持续的淡水生产且无高能耗非常有希望。到目前为止，在一台蒸发器中既要实现高性能又要具有成本效益仍然是一个挑战。此外，鲜有报道的策略克服了水源中出现的微塑性污染和全天蒸发不佳的障碍。最近，东南大学代云茜教授团队通过简单地拉伸棉花就可以容易地构建低成本，高效，生物质衍生的具有梯度垂直微通道的三维（3D）石墨烯/棉海绵。它是一种多功能的光热平台，具有高蒸发速率（2.49 kg m^-2 h^-1，垂直于顶面和侧面），并且可以承受高达其重量8750倍的大外部应力。此外，在首次尝试从微塑料污染源中有效蒸发水（90.6％）的过程中，通过3D MoS₂/石墨烯/棉花通过活性氧物种攻击和多重吸附，从蒸发水中去除了近100％的聚乙烯（PE）微纤维。

采用新的原位FTIR显微镜技术来准确监测PE微塑料的降解机理。在富含氧气的水中，PE的降解效率高达19％，主要是由反应性O₂引起的，并且可以在1小时内借助其他反应性物质（例如˙HOO和H₂O₂）轻松提高到32％ 。此外，在有限元分析（FEA）的指导下，相变聚乙二醇（PEG）层在石墨烯/棉的外部进行了功能化。值得注意的是，它通过在黑暗中利用热能，具有极高的全天蒸发速率（每天每平方米每小时1.63千克，是不具有相变功能的传统蒸发器的1.42倍）。这项工作提供了有前景的替代策略，即使在黑暗条件下，也可以从微塑性污染和可持续蒸发中低成本收集干净的水。相关论文以题为A biomass-derived, all-day-round solar evaporation platform for harvesting clean water from microplastic pollution发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。

【主图导读】

图1（a）渐变RGO/棉海绵的示意性制造过程和（b）相应的光学图像。（c）可以轻易折叠成不同形状的柔性RGO /棉的光学图像。RGO/棉的顶视图SEM图像分别显示了拉伸前后的（d）均匀垂直通道和（e）梯度垂直微通道。（f）RGO /棉的SEM侧视图，显示交织的微纤维具有丰富的孔隙。（g）SEM图像显示包裹在棉纤维上的起皱的RGO（箭头突出）。

图2（a）是RGO/棉在光照射下的紫外可见光谱和红外图像，显示出优异的光吸收和光热转换能力。（b）在光照射下有和没有梯度微结构的RGO/棉的模拟温度分布。（c）RGO /棉顶面上的硅球色差显示了中心的水浓度行为。RGO/棉在顶面中心和边缘的水接触角。（d）水质变化记录了RGO/棉的蒸发性能。（e）由不同GO含量制成的RGO/棉的蒸发性能，以及（f）海绵的相应光学图像。（g）RGO/棉在干燥和湿润状态下的机械稳定性。

图3（a）俯视SEM图像和梯度MoS₂/RGO/棉的相应元素映射。（b）侧面SEM图像显示了交织的MoS₂/RGO/棉纤维。（c）被褶皱的RGO片包围的花状MoS₂的SEM图像（用箭头突出显示）。（d）锚定在起皱的RGO板上的MoS₂的增强的光吸收和光热转化的示意图。

图4（a）MoS₂/RGO/棉海绵在光照射下的透光率和红外图像。（b）PE微塑料的质量保留，插入的方案显示MoS₂/RGO/棉纤维降解了微塑料。（c）用于确定微塑料成分的原位FTIR显微镜技术方案。（d）降解前后聚乙烯微塑料的光学图像和（e）相应的FTIR光谱，显示了形状演变并确认了微塑料的成分。

图5（a）MoS₂和RGO的能带边缘位置，以及O₂，H₂O，H₂O₂和氧化还原对的电势。（b）光学图像和方案显示MoS₂/RGO/棉在水中通过光催化ROS的产生降解了微塑料。（c）DMPO-O₂˙-和（d）DMPO-OH˙的ESR谱图，显示了MoS₂/RGO/棉和RGO/棉的ROS生成。（e）在不同条件下聚乙烯微塑料的质量保留率。

图6（a）为PEG/RGO/棉的示意图，具有昼夜循环使用的能力。（b）PEG/RGO棉的SEM侧视图，显示了在RGO/棉纤维上包覆的PEG薄层。（c）DSC测试记录了相变过程中PEG/RGO/棉的脱色和放热，并插入了机理示意图。（d）模拟中的微型单元的示意图。（e，f）相变过程中PEG/RGO单元的模拟温度变化。（g）PEG/RGO/棉在一个循环中的实验温度（在光照下：30min，在黑暗下：30min）。（h）在白天和夜晚的模拟中，PEG/RGO/棉的水分蒸发速率（在光照下：30分钟，在黑暗下：30分钟，3个循环）。

示意图1基于梯度RGO /棉光热平台的这项工作的优势。

参考文献：doi.org/10.1039/D1TA02004H