成都理工大學(xué)李小可課題組 CEJ||活性中間態(tài)水介導(dǎo)的協(xié)同作用，促進(jìn)太陽(yáng)能蒸發(fā)與光催化礦化過(guò)程

第一作者：李軒婷（本科/成都理工大學(xué)）

通訊作者：李小可 副教授

通訊單位：成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院

DOI:10.1016/j.cej.2026.177404

研究背景

Part.01

淡水資源短缺與工業(yè)有機(jī)廢水污染已成為全球性挑戰(zhàn)，水能源環(huán)境協(xié)同治理亟需高效綠色技術(shù)支撐。太陽(yáng)能界面蒸發(fā)憑借光熱局域化優(yōu)勢(shì)成為低碳淡水生產(chǎn)的重要方案，但傳統(tǒng)體系在處理復(fù)雜污水時(shí)面臨諸多瓶頸，非揮發(fā)性污染物易在蒸發(fā)界面富集造成光熱層污染，揮發(fā)性有機(jī)物則會(huì)隨蒸汽共逸引發(fā)二次污染，難以實(shí)現(xiàn)安全凈水；將光催化技術(shù)與太陽(yáng)能界面蒸發(fā)耦合，可同步完成產(chǎn)水與有機(jī)污染物深度礦化，然而這類(lèi)耦合系統(tǒng)長(zhǎng)期受限于熱力學(xué)不匹配與傳質(zhì)沖突，界面高溫會(huì)加速光生載流子復(fù)合，高通量蒸發(fā)易導(dǎo)致溶質(zhì)富集堵塞活性位點(diǎn)，且多數(shù)研究未關(guān)注受限水環(huán)境對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵調(diào)控作用。

本研究提出活性中間態(tài)水介導(dǎo)策略，設(shè)計(jì)并制備了負(fù)載NH2MIL101(Fe)與氧化石墨烯的PVA/CNF雙網(wǎng)絡(luò)多孔水凝膠PCF，依托富氧聚合物骨架重構(gòu)水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)，將中間水與自由水比例提升至1.295，在1倍太陽(yáng)光下實(shí)現(xiàn)3.29 kg m-2 h-1的高效蒸發(fā)速率，同時(shí)借助中間態(tài)水降低羥基自由基生成能壘，結(jié)合MOF與GO的協(xié)同光催化作用，對(duì)羅丹明B、亞甲基藍(lán)、四環(huán)素三類(lèi)典型有機(jī)污染物的降解效率均超過(guò)90%，為多功能太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)凈水材料的設(shè)計(jì)與復(fù)雜污水處理應(yīng)用提供了全新思路。

相關(guān)工作以“Active intermediate water-mediated kinetic promotion forsynergistic solar evaporation and photocatalytic mineralization”為題，發(fā)布在《Chemical Engineering Journal》期刊上。(中科院一區(qū)TOP，JCR一區(qū)，IF=13.2）

研究數(shù)據(jù)

Part.02

PCF的光熱及光催化機(jī)制示意圖

圖 1. (a)PCF 的制備過(guò)程；(b-c)NH2-MIL-101(Fe) 的掃描電子顯微鏡圖像；(d)NH2-MIL-101(Fe) 和水凝膠的 X 射線衍射圖；(e-f)水凝膠的掃描電子顯微鏡圖像；(g)PCF 的能譜元素分布圖；(h)PCF 中 C 1s 的 XPS 光譜；(i)PCF 中 N 1s 的 XPS 光譜；(j)PCF 中 O 1s 的 XPS 光譜。

圖 2. (a)PCF 的紫外-可見(jiàn)-近紅外光譜；(b)使用紅外熱像儀測(cè)試的 PCF 表面溫度；(c)用水與 PCF 一起形成的溫度分布；(d)在 1 倍太陽(yáng)光照下純水和 PCF 的蒸發(fā)速率；(e)不同鹽溶液下的質(zhì)量損失；(f)在不同鹽溶液中 PCF 的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率；(g)PCF 的抗鹽結(jié)晶性能；(h)PCF 所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)；(i)脫鹽前后的總?cè)芙夤腆w含量；(j)實(shí)際海水中離子濃度的變化；(k)將 PCF 的性能與先前報(bào)道的蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和有機(jī)物降解率進(jìn)行比較。

圖 3. (a)拉曼光譜擬合；(b)DSC 熱焓計(jì)算；(c)PCF 水凝膠的接觸角測(cè)量，證明其具有親水性；(d)通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的水-水和聚合物-水對(duì)的 RDF（徑向分布函數(shù)）；(e)通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的氫鍵（HB）模擬統(tǒng)計(jì)圖；(f)通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的 MSD（平均擴(kuò)散距離）擴(kuò)散曲線。

圖 4. (a)不同時(shí)間下 Rh B 的紫外-可見(jiàn)吸收光譜；(b) Rh B 濃度隨時(shí)間的變化情況；(c)不同時(shí)間下 MB 的紫外-可見(jiàn)吸收光譜；(d) MB 濃度隨時(shí)間的變化情況；(e)不同時(shí)間下 TC 的紫外-可見(jiàn)吸收光譜；(f) TC 濃度隨時(shí)間的變化情況；(g) Rh B 和 MB 光催化前后溶液顏色的對(duì)比。

圖 5 . (a)PCF 的帶隙；(b)在不同條件下，DMPO-?O2- 作用下 PCF 在水分散液中的 ESR 譜圖；(c)在不同條件下，DMPO-?OH 作用下 PCF 在水分散液中的 ESR 譜圖；(d)NH2-MIL-101(Fe) 和 GO 對(duì)光催化機(jī)制的協(xié)同作用。

研究結(jié)論

Part.03

本研究成功構(gòu)建了基于活性中間態(tài)水介導(dǎo)的NH2-MIL-101(Fe)/GO@PVA/CNF雙網(wǎng)絡(luò)多孔水凝膠（PCF），巧妙化解了太陽(yáng)能界面蒸發(fā)與光催化集成系統(tǒng)中的“熱力學(xué)失配”與“傳質(zhì)沖突”難題。通過(guò)PVA/CNF骨架重構(gòu)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，該材料實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.295的中間水/自由水比例，這一獨(dú)特狀態(tài)既能將蒸發(fā)焓驟降至869.3 J g-1，實(shí)現(xiàn)3.29 kg m?2 h?1的蒸發(fā)速率，又能作為“預(yù)激活反應(yīng)物”降低能壘，協(xié)同NH2-MIL-101(Fe)/GO組分實(shí)現(xiàn)對(duì)羅丹明B、四環(huán)素等污染物的90%以上高效礦化。此外，其仿血管的多級(jí)孔道設(shè)計(jì)賦予了材料卓越的抗鹽性能，即使在10%高濃度鹽水中長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行無(wú)鹽結(jié)晶，冷凝水水質(zhì)滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)。該工作闡明了中間態(tài)水在光熱 - 光催化協(xié)同體系中的雙重調(diào)控機(jī)制，為復(fù)雜工業(yè)廢水處理與海水淡化資源化利用提供了新思路。

Part.04

DOI：10.1016/j.cej.2026.177404

聲明：僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，如有不科學(xué)之處請(qǐng)?jiān)谙路搅粞灾刚。。?/p>