热振动与局域表面等离子体共振协同驱动的"共生共进化"水凝胶蒸发器实现高效太阳能蒸发、抗菌及抗性基因去除

本研究针对太阳能界面蒸发技术(SIE)中污染物去除效率低的难题，创新性地将热振动与局域表面等离子体共振(LSPR)效应整合至TA-Fe-SA/CoV2 O6 @Ti3 C2 Tx水凝胶蒸发器设计中，实现了2.76 kg m-2 h-1 的蒸发速率，1小时内对ARBs和ARGs分别达到近100%和82%的去除率，为点对点(POU)再生水处理提供了高效协同解决方案。

　　

随着全球水资源危机加剧，太阳能驱动界面蒸发(SIE)技术因其低碳特性成为再生水处理的研究热点。然而，抗生素滥用导致的抗生素抗性细菌(ARBs)和抗性基因(ARGs)污染严重威胁饮用水安全。传统SIE系统面临两大瓶颈：光热转换效率不足导致蒸发速率受限，以及缺乏同步降解污染物的协同机制。如何通过材料创新实现"一石二鸟"——既提升蒸发效率又强化污染物降解，成为该领域亟待突破的科学难题。

河海大学环境学院的研究团队在《Water Research》发表的研究中，创造性地提出"共生共进化"设计理念。通过将热振动效应与局域表面等离子体共振(LSPR)效应耦合，构建了TA-Fe-SA/CoV₂
O₆
@Ti₃
C₂
Tx水凝胶蒸发器(TFSCVT)，实现了蒸发-催化的双向强化。该系统蒸发速率达2.76 kg m^-2
h^-1
，1小时内对ARBs和ARGs的去除率分别接近100%和82%，为点对点(POU)水处理提供了创新解决方案。

研究采用三大关键技术：1) 通过HCl/LiF蚀刻法合成Ti₃
C₂
Tx MXene纳米片并构建CoV₂
O₆
@Ti₃
C₂
Tx Mott-Schottky异质结；2) 利用单宁酸(TA)与Fe³⁺
配位形成金属-多酚网络，构建双网络水凝胶结构；3) 采用COMSOL模拟分析热对流对气液传质的影响机制。

【设计原理】
研究团队提出"热振动-LSPR共生"新机制：TA-Fe通过电子离域作用增强局域光热转换，同时缩小带隙促进电子跃迁；MXene的LSPR效应提升TA-Fe的热容并降低蒸发焓。这种协同设计使蒸发器表面形成强化温度场，热对流加速气体释放，形成蒸发-催化的正向循环。

【性能验证】
实验显示TFSCVT在1个太阳光强下，光热转换效率达96.3%，等效蒸发焓降至1224 kJ kg^-1
。MXene的等离子体热效应使界面温度升至68.5°C，较传统材料提升42%。同步产生的·OH和·O₂
^-
自由基使大肠杆菌存活率降至0.8%，sul1基因去除率达82%。

【机制解析】
通过原位XPS证实，热振动促进CoV₂
O₆
中Co²⁺
/Co³⁺
循环，LSPR效应使Ti₃
C₂
Tx的功函数降低0.38 eV，形成从MXene到CoV₂
O₆
的定向电子流。这种协同作用使载流子分离效率提升3.7倍，为污染物降解提供持续驱动力。

该研究突破性地将物理热效应与光化学过程耦合，提出的"共生共进化"设计范式为多功能水处理材料开发提供新思路。通过精确调控蒸发-催化界面过程，实现了能源效率与污染物去除的协同优化，对推动SDG6(清洁饮水和卫生设施)目标实现具有重要实践意义。研究揭示的热振动-LSPR协同机制，可拓展至其他光热催化体系，为环境-能源交叉领域研究开辟新方向。