基于双活性中心的光热水凝胶用于高效去除挥发性有机化合物，实现净水生产

《Journal of Clinical & Translational Endocrinology》：The photothermal hydrogels based on dual-active centers for volatile organic compound simultaneous removal in efficient water purification production

本研究构建了Ti3C2/CuS双功能光热水凝胶蒸发器，通过耦合太阳能蒸发与PMS催化降解同步去除VOC污染。系统在1.0太阳辐照下蒸发率达2.24 kg·m?2·h?1，Ti3C2/CuS界面结构促进电荷转移，激活PMS生成硫酸根自由基和单线态氧，实现苯酚去除效率95.4%。

　　太阳能驱动的界面蒸发（Solar-Driven Interfacial Evaporation, SIE）技术是实现可持续水处理和淡水回收的重要手段。然而，这一技术在实际应用中面临一个关键挑战，即在蒸发过程中，水中的挥发性有机化合物（VOCs）可能会被浓缩到蒸馏水中，从而影响水质。VOCs具有较高的生态毒性和环境持久性，它们的挥发性和低沸点特性使得其在相变过程中容易与水蒸气共同迁移，最终富集在冷凝液中，导致蒸馏水的污染。因此，开发一种能够同时实现高效蒸发和原位催化降解VOCs的双功能复合SIE系统，成为当前研究的重要方向。

本研究提出了一种新型的双功能光热水凝胶蒸发器（Ti₃C₂/CuS复合水凝胶蒸发器，简称TCHs），该系统通过结合Ti₃C₂与CuS复合材料，实现了太阳能蒸发与过硫酸氢盐（PMS）催化降解VOCs的协同作用。Ti₃C₂是一种新型的二维过渡金属碳化物材料，因其具有优异的宽带光谱吸收能力、局部表面等离子体共振（LSPR）效应以及接近100%的光热转换效率而受到广泛关注。CuS则是一种典型的金属硫化物半导体材料，因其可调节的光谱吸收能力、出色的光稳定性以及高效的光热转换性能而被用于太阳能驱动的水净化系统。

TCHs的构建基于KGM（魔芋葡甘聚糖）这一天然可再生生物聚合物。KGM具有丰富的含氧官能团，如羟基（-OH），这些官能团能够增强其对水的亲和力，降低水的蒸发焓，并通过氢键网络调控促进水的传输。此外，KGM还表现出良好的热绝缘性能，使其成为一种理想的光热水凝胶材料。通过将Ti₃C₂/CuS复合材料与KGM结合，TCHs不仅具备高效的光热蒸发性能，还能够通过光催化作用促进PMS的分解，从而产生具有强氧化能力的活性氧物种（ROS），如硫酸根自由基（SO₄^?）和单线态氧（¹O₂），共同参与VOCs的降解过程。这种双功能设计使得TCHs在实现高效水蒸发的同时，也能够有效去除VOCs，从而获得高质量的蒸馏水。

实验结果表明，在1.0太阳辐射强度下，TCHs蒸发器的蒸发速率达到了2.24 kg·m^?2·h^?1，这表明其在太阳能利用效率方面具有显著优势。同时，系统对苯酚（PhOH）的去除效率超过了95%，显示出卓越的污染物降解能力。研究还发现，硫酸根自由基和单线态氧在PMS催化体系中发挥了关键作用，两者协同作用显著提升了整体的降解效率。此外，TCHs的结构设计使得光生载流子能够快速迁移，从而减少了载流子的复合损失，提高了光催化反应的效率。

为了进一步验证TCHs的性能，本研究还对典型VOCs——环丙沙星（CIP）的催化降解进行了系统评估。结果显示，Ti₃C₂/CuS复合材料在激活PMS后能够高效降解CIP，其降解效率与操作参数密切相关，如反应时间、PMS浓度以及光强等。通过优化这些参数，研究团队成功实现了对CIP的高效去除，同时保持了系统的稳定性和可重复性。这些结果不仅验证了TCHs在VOCs降解方面的潜力，也为未来开发更高效的双功能SIE系统提供了理论支持和技术基础。

此外，TCHs的结构和性能还受到其制备方法的影响。研究中采用的水热法和水热脱乙酰化法能够有效控制材料的微观结构和表面特性，从而提升其光热转换效率和光催化活性。通过调节反应条件，如温度、压力和反应时间，可以进一步优化TCHs的性能，使其在不同环境条件下均能保持高效的水蒸发和污染物降解能力。这种可调节性为TCHs在实际应用中的灵活性提供了保障，使其能够适应多种水质和环境需求。

在实际应用中，TCHs蒸发器不仅能够用于海水淡化和工业废水处理，还可以应用于农业灌溉水净化和饮用水再生等领域。由于其对VOCs的高效去除能力，TCHs特别适用于处理含有高浓度有机污染物的废水，如制药废水、化工废水和城市污水等。通过将SIE与PMS催化降解技术相结合，TCHs能够在不依赖额外能源的情况下，实现对污染物的高效去除和对淡水的可持续再生。这种技术的推广和应用将有助于缓解全球淡水资源短缺问题，同时减少对传统水处理技术的依赖，降低能耗和成本。

从环境和经济角度来看，TCHs蒸发器的优势在于其低能耗、高效率和可持续性。太阳能作为可再生资源，其利用不仅减少了对化石燃料的依赖，还降低了碳排放。同时，TCHs的结构设计使其能够在长时间运行中保持稳定性能，减少了设备更换和维护的频率，从而降低了长期运营成本。此外，该系统能够有效回收和再利用水资源，减少水资源浪费，具有显著的环境效益。这些特点使得TCHs蒸发器成为未来水处理技术的重要发展方向。

为了确保TCHs蒸发器在实际应用中的可靠性和安全性，研究团队还对其性能进行了全面评估。包括对材料的热稳定性、光热转换效率、光催化活性以及对不同VOCs的去除能力进行了系统测试。实验结果表明，TCHs在多种条件下均表现出优异的性能，其结构稳定性和功能持久性得到了充分验证。此外，研究还探讨了TCHs在不同环境参数下的适应性，如温度、湿度和光照强度的变化，结果表明该系统能够在较宽的范围内保持稳定的运行状态，具备良好的环境适应性。

在进一步的优化和扩展研究中，研究团队还计划探索TCHs与其他光催化材料的协同作用，以提升其对多种污染物的去除能力。例如，通过引入其他类型的半导体材料或金属催化剂，可以拓展TCHs的应用范围，使其能够同时处理多种类型的有机污染物。此外，研究团队还关注TCHs在实际工程应用中的可扩展性和规模化生产问题，希望通过改进制备工艺，降低生产成本，提高材料的可用性。

总体而言，TCHs蒸发器的开发为解决水处理中的VOCs污染问题提供了新的思路和技术路径。通过将光热蒸发与光催化降解技术相结合，该系统不仅能够高效回收淡水，还能在蒸发过程中同步去除污染物，实现水的高质量再生。这一创新技术的应用有望为全球水危机提供有效的解决方案，推动可持续水资源管理的发展。未来的研究将继续聚焦于材料的性能优化、系统设计的改进以及实际应用的拓展，以期在更广泛的范围内推广这一技术，为环境保护和水资源利用做出更大贡献。