多功能二硫化钼/碳纳米管/壳聚糖复合水凝胶海绵用于高效太阳能驱动海水淡化和废水净化

《Environmental Research》：Multifunctional MoS 2/CNTs/Chitosan Hybrid Hydrogel Sponge for Efficient Solar-Driven Seawater Desalination and Wastewater Purification

　　

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  采用两步法成功制备了一种具有柔性、自漂浮及自清洁功能的MCCM。
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  MCCM在单倍太阳辐照条件下获得了1.82 kg·m^?2·h^?1的蒸发速率。
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  MCCM即使在20 wt%的NaCl盐水中也表现出优异的耐盐性能。
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  MCCM在太阳辐照下实现了98.27%的刚果红降解率。
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  MCCM在9小时的天然阳光下产出了22.45 kg·m^?2的淡水。

引言

在21世纪，淡水资源日益稀缺与需求不断上升之间的差距日益扩大，仍然是全球面临的严峻且紧迫的关键挑战（Wang et al., 2025b）。太阳能界面蒸汽发生（SIE）技术凭借其环保的运行特性和高效率，在可持续淡水生产方面展现出巨大潜力（Qian et al., 2018; Wan et al., 2025）。然而，实际应用表明，持续的海水蒸发会导致表面盐分沉积和污染物富集，从而降低蒸发效率（Mao et al., 2024）。为解决这些问题，研究者发展了多种策略，包括通过掺入生物聚合物来降低蒸发焓、实现自清洁盐结晶（Mao et al., 2024; Xue et al., 2024）、通过宏观通道改善离子扩散，以及开发将蒸发与光催化相结合的双功能系统（Wang et al., 2024a）。尤为关键的是，传统蒸发器通常采用纯黑色材料，其固有的光催化活性较低，导致蒸发过程中污染物降解不充分，最终引起水环境中污染物的持续积累（Wang et al., 2025b）。

壳聚糖（CS）是一种天然碱性线性多糖，由β(1→4)键连接的2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖胺单元组成（Xu et al., 2026; Zhu et al., 2025a）。其质子化的-NH₃⁺和-OH基团可通过降低蒸发焓促进中间水的形成（Sun et al., 2023; Wang et al., 2025a）。其胶体性质赋予了它双重功能：既可作为蒸发器基底，又可作为多功能粘合剂，用于将光热材料与去除污染物的光催化剂/吸附剂集成在一起（Jiang et al., 2024c; Jiang et al., 2021; Jiang et al., 2024d; Zhu et al., 2025b）。基于壳聚糖的太阳能界面蒸发器（CS-SIEs）因具有较低的汽化焓（Anukunwithaya et al., 2024）、耐盐能力（Gao et al., 2025; Habte et al., 2025; He et al., 2025; Li et al., 2024b）和抗菌活性（Chen et al., 2023; Gong et al., 2024; Saleque et al., 2023; Wang et al., 2024c），在海水电解、清洁水生产和废水净化方面展现出巨大前景。此外，CS-SIE作为隔热层可最大限度地减少热损失，从而提高蒸发效率（Zhou et al., 2024）。尽管具有上述优点，未改性的CS-SIEs仍因机械强度差、浮力不足以及比表面积/孔隙率不足而限制了实际应用（Hsan et al., 2023; Zhu et al., 2025b）。

从应用角度来看，集成了耐盐和防污性能的多功能光热材料更符合实际需求（Chen et al., 2024）。近期，研究者们通过整合光热蒸发与高级氧化过程（AOPs）来克服单功能太阳能蒸发器的局限性（He et al., 2023; Liu et al., 2025a; Liu et al., 2024a）。这些研究表明了将太阳能蒸发与催化氧化相结合，实现清洁水生产和污染物治理的同时进行的可行性。二硫化钼（MoS₂）作为过渡金属二硫化物的代表性窄带隙半导体（1.0–2.5 eV），凭借其非辐射弛豫效应和出色的光电特性，兼具光催化反应和光热转化的双重能力（Duan et al., 2025a; Jiang et al., 2024b; Yin et al., 2025; Zheng et al., 2024a）。具体而言，MoS₂可实现超过90%的太阳能吸收（200–2500 nm），并具有高太阳能-热能转化效率（Zheng et al., 2024a）。为了进一步提升性能，MoS₂已与蒙脱石（Guo et al., 2022）、GO（Zheng et al., 2024a）、MXene（Yang et al., 2024）、聚丙烯酰胺（Zhang et al., 2025）、海藻酸钠（Xiao et al., 2021）、纳米碳（Zheng et al., 2025a）、芳纶纳米纤维（Jiang et al., 2024a）以及TiO₂（Fuzil et al., 2025）等材料相结合，从而显著提高了太阳能海水淡化效率。碳纳米管（CNTs）因其宽带光吸收、高效光热转化以及促进水分传输的纳米限域效应，被广泛用作太阳能驱动界面蒸发的多功能改性剂（Xu et al., 2024）。特别是，CNTs的纳米通道可通过孤对电子与π轨道之间的相互作用来限域水分子，从而削弱氢键网络并降低蒸发所需能量（Fan et al., 2026; Yang et al., 2026）。当CNTs与MoS₂结合时，形成的异质结构可进一步增强电荷分离和光催化活性。这些特性使CNT/MoS₂复合材料在太阳能转化和光催化等多种应用中具有广阔前景。尽管具有上述优势，盐分沉积、低浮力和弱亲水性仍是MoS₂基蒸发器长期性能的关键限制因素，严重降低了其效率（Zheng et al., 2024a）。作为一种典型的SIE结构，浮式装置集成了光热层和支撑基底，可实现太阳能-热能转化和高效体相水传输加热（Ai et al., 2022）。三聚氰胺泡沫（MS）因其高孔隙率、超低密度、热稳定性和成本效益而成为最优的三维基底材料（Fu et al., 2024; Thoai et al., 2021; Xiao et al., 2021; Xiao et al., 2024a）。例如，Fu等人制备了具有集水生产和酚类去除双重功能的MoS₂@MS蒸发器（Fu et al., 2024）。类似地，我们之前的工作也报道了一种自漂浮磁性m-MoS₂/CS@MS系统，其中壳聚糖作为双功能粘合剂和吸附剂，MoS₂/NiFe₂O₄作为光热材料，MS提供结构支撑（Xiao et al., 2024a）。然而，该系统的設計主要针对吸附-光催化染料去除，而非太阳能海水淡化，且未解决水活化、降低蒸发焓和盐分排斥问题。鉴于这些优势，我们提出研究壳聚糖、CNTs和MoS₂在MS上的共组装，并开发一种具有自漂浮能力、优化蒸发性能、稳健机械性能和主动光催化降解功能的集成水处理平台。

本文提出了一种操作简便、可规模化且成本效益高的制备方法，用于制备具有协同光催化和光热性能的MoS₂/碳纳米管/壳聚糖@三聚氰胺海绵复合材料蒸发器（MoS₂/CNTs/CS@MS，简称MCCM），实现清洁水生产和污水处理的同时进行。首先制备了具有增强光吸收和电荷转移性能的碳纳米管修饰MoS₂（MoS₂/CNTs），然后利用壳聚糖（CS）水凝胶将其固定在商用三聚氰胺海绵（MS）上，制备出多功能MCCM蒸发器。在该设计中，MoS₂/CNTs作为多功能位点，在阳光照射下进行光热转化和光催化活化。同时，CS水凝胶在MS海绵基体中形成连续的水传输网络，并提供隔热功能以最大限度地减少向体相水的传导热损失。所得到的MCCM太阳能蒸发器集成了太阳能蒸发、海水淡化以及有机污染物降解功能，蒸发速率达到1.82 kg·m^?2·h^?1，同时表现出稳健的长期耐盐性。此外，现场测试进一步证实了其在天然阳光照射下具有优良的户外太阳能蒸发性能，显示出未来实际应用的潜力。

章节摘要

材料

碳纳米管（外径30-50 nm，长度10-20 μm，纯度≥95 wt%）由江苏先丰纳米材料科技有限公司提供。壳聚糖（分子量：210 kDa；脱乙酰度：91.5%）由浙江金壳药业有限公司提供。本研究使用的三聚氰胺海绵由上海北友建材有限公司提供。所有实验均使用电阻率为18.2 MΩ·cm的Milli-Q去离子水进行。其他化学试剂均为分析纯。

MCCM的制备

MCCM蒸发器通过以下方法制备：

表征

MS、CS@MS、CNTs/CS@MS和MCCM的形貌和结构表征结果如图2所示。SEM图像（图2a）显示MS具有蜂窝状框架结构，表面光滑且孔隙通道清晰（100-150 μm）（Duan et al., 2025b）。当壳聚糖涂覆在MS骨架上时，形成了覆盖在MS框架上的粗糙表面凝胶层（图2b）。根据Wenzel模型，这种粗糙度增强了亲水表面的润湿性，从而提高了

结论

本研究通过锚定MoS₂/CNTs光热材料到壳聚糖水凝胶修饰的三聚氰胺海绵（CS@MS）上，成功制备了多功能MoS₂/CNTs/CS@MS太阳能蒸发器（MCCM）。该集成系统利用MS海绵的孔隙结构和CS水凝胶的超亲水特性，确保持续快速的水供应、高效蒸汽传输以及长期耐盐蒸发。MCCM的蒸发速率约为自然蒸发的7.9倍。

CRediT作者贡献声明

胡春丹：验证，调查研究。徐泽恩：可视化，数据管理。肖梅：可视化，调查研究，数据管理。蒋茹：初稿撰写，方法论，经费获取，概念化设计。熊先强：审查与编辑，方法论。赵丹霞：验证，调查研究。王琦：资源支持，经费获取。朱华悦：审查与编辑，监督指导，资源支持，经费获取。蒋生涛：软件，方法论

数据可用性

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关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在撰写本文的过程中，作者使用了Deepseek以改善语言表达。使用此工具后，作者根据需要审阅并编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的相互竞争的财务利益或个人关系，这些情况可能会影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢浙江省自然科学基金（基金编号：LMS25E080011, LMS26E080037）、国家自然科学基金（基金编号：22276168）以及台州市科技攻关项目（项目编号：26sfb05, 24sfb03）的支持。

Ru Jiang|Mei Xiao|Zeen Xu|Chundan Hu|Qi Wang|Danxia Zhao|Xianqiang Xiong|Shengtao Jiang|Huayue Zhu