具有负载有量子点（CQDs）的TiO?和碳纳米管（CNTs）的双功能水凝胶蒸发器，用于高效净化富营养化水体

《Desalination》：Dual-functional hydrogel evaporator with CQDs loaded TiO 2 and CNTs for efficient eutrophic water body purification

光热-光催化双功能水凝胶蒸发器通过整合碳量子点修饰TiO?和碳纳米管至聚丙烯酰胺-海藻酸钠复合基质，显著提升光热转换效率与光催化活性，采用三维结构模具制备的蒸发器在单太阳照射下蒸发速率达2.56 kg·m?2·h?1，对甲酚蓝降解效率85.5%，小球藻灭活率58.7%，为富营养化水体有机污染治理提供新范式。

　　

刘贵群|马启胜|李正|张家龙|雷宽|李丁|薛敏|吴文莉|杜江华|张晓莉

北方民族大学材料科学与技术学院，中国银川市，750021

摘要

太阳能光热界面作为一种经济高效的水净化技术，受到了广泛关注，特别是在海水淡化和废水处理等应用中。然而，它们在降解实际废水中的有机污染物方面的能力相对有限，尤其是在处理日常生活中常见的富营养化水体时，这限制了其更广泛的实际应用。本文合成了新型的双功能水凝胶材料PSTCC（PAM/SA/TiO₂-CQDs/CNTs），该材料同时具备光热和光催化功能。我们还设计并制备了一种三维结构的水凝胶装置，以系统评估其净化富营养化水体的潜力。通过将碳量子点改性的TiO₂和碳纳米管引入聚丙烯酰胺-海藻酸盐复合基质中，该水凝胶显著提高了光热转换效率，并有效调节了TiO₂的带隙，从而增强了其光催化活性。此外，利用三维结构模具和脱模工艺，我们构建了一种具有凸表面突起和垂直排列内部毛细通道的PSTCC水凝胶蒸发器，在一太阳光照下实现了2.56?kg?m^?2?h^?1的高蒸发速率。该装置在去除有机污染物方面也表现出优异的性能，对亚甲蓝的光催化降解效率达到85.5%，对普通小球藻（Chlorella vulgaris）的灭活率为58.7%。这种蒸发器及其相关装置有望为处理富营养化水体中的典型有机污染物提供一种新的方法，在绿色、高效和节能的水处理领域具有广阔的应用前景。

引言

太阳能界面蒸发技术作为一种有前景、成本效益高且高效的水净化解决方案，广泛应用于海水淡化和废水处理[[1], [2], [3], [4], [5]]。利用太阳能驱动蒸发过程，这项技术在能源效率和环境可持续性方面具有显著优势[[6], [7], [8]]。利用丰富的太阳能不仅降低了运营成本，还减少了传统热淡化过程的碳足迹。然而，全球范围内富营养化水体（富含营养物质和有机污染物）的问题日益严重，这成为获得清洁水源的主要障碍。这些水体通常含有大量细菌、藻类和溶解的有机化合物，使用传统的水处理方法难以处理，因此需要创新和有效的解决方案[[9], [10], [11]]。

尽管太阳能界面蒸发技术具有巨大潜力，但在降解有机污染物和处理实际废水复杂性方面仍存在局限性。特别是在富营养化水体中，这些污染物的浓度较高，导致有机污染物的降解效率较低。为了解决这一挑战，最近的研究探索了将光热和光催化功能集成到单一材料界面中的方法[[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]。碳量子点（CQD）改性的TiO₂成为提高光热转换和光催化降解性能的有希望的材料[[19,20]]。将CQDs引入TiO₂中可以改善光吸收，改变材料的电子性质，并促进有效的电荷分离，从而增强其光催化活性[[21]]。鉴于水凝胶基质材料具有可调的机械性能、可修改的功能特性、多样的加工性和优异的膨胀能力[[22], [23], [24], [25]]，将上述功能材料嵌入其中成为制备太阳能蒸发材料的一种新兴策略[[26,27]]。同时，扩大比表面积是实现快速水传输能力和增强光催化反应能力的关键因素，但这受到水凝胶表面和内部结构的严重限制。目前，简单易扩展的实际研究在协调表面结构、光催化能力和水传输速率方面仍存在不足[[28,29]]。因此，开发一种能够有效平衡蒸发和污染物降解的特殊结构的光热-光催化蒸发器仍是当前研究的重要挑战[[30,31]]。

在本研究中，我们合成了一种新型的双功能水凝胶材料PSTCC（PAM/SA/TiO₂-CQDs/CNTs），将碳量子点改性的TiO₂和碳纳米管引入聚丙烯酰胺-海藻酸盐基质中。这种设计不仅提高了光热转换效率，还增强了光催化性能，使其适用于富营养化水体的净化。此外，我们开发了一种具有凸表面突起和垂直毛细通道的三维（3D）水凝胶装置（图1e），实现了2.56?kg·m^?2·h^?1的高蒸发速率，有效去除了有机污染物，对亚甲蓝的降解效率达到85.5%，对普通小球藻的灭活率为58.7%。这项工作展示了光热光催化蒸发器在可持续和高效净化富营养化水体方面的潜力。

材料

过硫酸铵（APS，纯度≥98%）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA，纯度99%）、乙二胺（EDA，注意：此处有拼写错误，应为EDA而非DEA，根据常见化学命名规则）、二氧化钛（TiO₂，纯度98%）、丙烯酰胺（AM，分析试剂级，纯度99%）和柠檬酸（CA，分析试剂级，纯度95%）均购自Aladdin Reagents（中国上海）。

PAM/SA/TiO₂-CQDs/CNTs水凝胶的设计

双网络水凝胶（DN水凝胶）通过其独特的交错网络结构和灵活的交联策略，成功突破了单网络水凝胶的机械性能限制[[36,37]]。通过巧妙地结合第一和第二网络的优异性能，并根据具体应用要求精确调节网络组成，双网络水凝胶具有巨大的潜力

结论

总之，我们提出了一种具有垂直毛细水通道结构的光热-光催化双功能水凝胶蒸发器。该水凝胶蒸发器在全光谱（250–2500?nm）UV–vis-NIR范围内表现出超高的光吸收率（约99.91%），同时具备出色的蒸发性能、高效的光催化效果、良好的微生物清除能力和优异的机械性能。通过基于该水凝胶蒸发器构建蒸发装置，

CRediT作者贡献声明

刘贵群：监督、资金获取、正式分析、概念构思。马启胜：撰写初稿、软件开发、数据管理、概念构思。李正：撰写与编辑、正式分析、概念构思。张家龙：实验研究。雷宽：实验研究。李丁：实验研究。薛敏：实验研究。吴文莉：实验研究。杜江华：监督、资源调配。张晓莉：监督、资源调配、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了宁夏自然科学基金[2025AAC030020]、宁夏省青年拔尖人才计划[2022033]以及北方民族大学研究生创新计划[YCX24302]的支持。