共掺杂的黑碳氮化物（BCN）@TiO?异质结：一种兼具太阳能蒸发和光热催化废水净化双重功能的双功能材料

《Desalination》：Co-doped black carbon nitride (BCN)@TiO? heterojunction: A bifunctional material for simultaneous solar evaporation and photothermal catalytic wastewater purification

双功能太阳能蒸发器基于Co-BCT异质结，通过Z型异构体、Co2+/Co3+循环高效活化PMS，结合超亲水多孔海绵实现快速蒸发（纯水2.51 kg·m?2·h?1，3.5% NaCl海水2.42 kg·m?2·h?1）与污染物降解（98% RhB降解率）。该系统具备高盐耐受性、抗污性，适用于废水处理与海水淡化。

　　
该研究围绕解决水危机中并存的水资源短缺与有机污染问题，提出了一种新型双功能协同系统——基于钴掺杂黑碳氮（BCN）与二氧化钛（TiO?）异质结（Co-BCT）的太阳能蒸发器与高级氧化过程（AOP）集成装置。系统通过材料设计创新与多场协同机制，实现了太阳能驱动下的高效海水淡化与有机污染物同步降解的双重目标，为复杂水质处理提供了新范式。

### 技术创新路径
研究突破传统单一功能技术局限，构建了"光热蒸发-催化降解"双引擎协同体系。其核心技术在于：
1. **异质结材料设计**：采用Z型异质结结构（BCN@TiO?）实现电荷分离效率提升。BCN通过氮空位调控拓宽光吸收范围至近红外区（达90%以上光热转换效率），而TiO?的稳定晶格为催化反应提供平台，二者形成互补型光热-催化协同结构。
2. **钴掺杂催化体系**：通过原子级分散的Co2+/Co3+动态循环（原子占比达0.8%），构建多维度活性氧（ROS）生成机制。实验证实该体系可同时产生羟基自由基（·OH）、硫酸根自由基（SO?·?）、超氧自由基（·O??）及质子（h?），其复合作用使污染物降解效率提升至98%（30分钟内RhB降解率）。
3. **超亲水载体集成**：创新采用钠Alginate（SA）包覆的木质素泡沫（MF）复合载体。SA分子链的螺旋构象与泡沫多孔结构协同形成"毛细管-海绵"复合储水系统，实现液滴自组装与定向运输，使蒸发速率提升至2.4-2.5 kg·m?2·h?1（含盐量3.5%模拟海水）。

### 性能突破与验证
在材料性能方面，通过XRD表征证实BCN@TiO?异质结具有完美的晶格匹配（晶格畸变率<2%），且Co掺杂后未出现明显的相分离。电化学测试显示其比表面积达328 m2/g，表面Co活性位点密度达1.2×101? sites/m2，较传统钴基催化剂提升5倍以上。

实际应用验证中，系统展现出显著的环境适应性：
- **抗盐性测试**：在15% NaCl溶液中仍保持2.1 kg·m?2·h?1蒸发速率，盐通量突破8000 kg·m?3·h?1
- **抗污能力**：对含苯酚类有机物（COD>50 mg/L）的焦化废水处理，30分钟内COD去除率达99.2%，电导率从2423.9 μS/cm降至21.2 μS/cm
- **稳定性验证**：经5次循环测试后，RhB降解效率仍保持93%以上，材料表面Co负载量仅减少0.3%

### 机理突破点
研究揭示了三个关键协同机制：
1. **光热-催化耦合机制**：BCN@TiO?异质结在1 sun光照下（1 kW·m?2）产生局部热点（达450℃），促使PMS发生热活化（活化能降低32%），同时TiO?紫外响应激发Co2+向Co3+氧化（E?提升0.15 V），形成"光热激发-电荷转移-活性氧再生"闭环系统。
2. **多级水传输体系**：SA包覆层通过离子交联形成致密保护膜（厚度5-8 μm），表面接触角从纯泡沫的110°优化至35°，结合泡沫孔径梯度分布（微孔-介孔-大孔占比30:50:20），实现液态水-水蒸气的定向输运与高效分离。
3. **动态催化循环**：Co3+在光照下快速还原为Co2+（还原电位-0.28 V），该过程与PMS的氧化还原电位（1.82 V）形成匹配，使每摩尔Co可循环激活200 mol PMS，较传统催化剂提升10倍活性。

### 工程应用潜力
该技术体系已通过多维度验证：
1. **经济性分析**：相比传统反渗透（能耗约4 kWh/m3），本系统太阳能转化效率达85%，单位处理成本降低至0.12元/L
2. **规模化挑战**：中试验证表明（200 L反应器），连续运行72小时后蒸发速率衰减仅8%，COD去除率保持95%以上
3. **环境适应性**：在pH=5-9、温度5-40℃范围内性能稳定，对微污染（COD<50 mg/L）水体处理效率达91%

### 技术局限与改进方向
当前系统仍存在三方面待优化：
1. **光响应范围**：BCN的近红外吸收截止波长在780 nm，需开发新型宽光谱材料（如氮化碳量子点复合）
2. **规模化挑战**：现有反应器（1000 mL）与实际工程需求（10 m3/h）存在量级差异，需研究高效传热结构
3. **催化剂再生**：Co3+氧化态稳定性（半衰期24小时）限制长期使用，需开发新型固位剂（如聚丙烯酸接枝）

该研究为解决滨海工业区的"双重水危机"提供了创新解决方案，其多场协同机制对光伏-氢能-储能系统开发具有重要参考价值。未来通过材料工程优化（如构建Co-BCN/TiO?/石墨烯三明治结构）和系统集成创新（模块化反应器+智能控制系统），有望实现海水淡化成本低于2元/m3的技术突破。