《Journal of Colloid and Interface Science》：All-in-one wood-based evaporator for enhanced solar-driven interfacial evaporation and photocatalytic antibiotic degradation
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摘要太阳能驱动的界面蒸发被认为是缓解全球淡水短缺的理想解决方案。然而，仅靠蒸发不足以应对日益严重的水污染问题。本文通过将界面蒸发和光催化降解功能集成到木材上，成功制备了一种多功能木材基蒸发器（BCN@SCDBW），所用基材为脱木质素的轻木。该蒸发器采用表面碳化和超声辅助沉积黑色石
摘要
太阳能驱动的界面蒸发被认为是缓解全球淡水短缺的理想解决方案。然而，仅靠蒸发不足以应对日益严重的水污染问题。本文通过将界面蒸发和光催化降解功能集成到木材上，成功制备了一种多功能木材基蒸发器（BCN@SCDBW），所用基材为脱木质素的轻木。该蒸发器采用表面碳化和超声辅助沉积黑色石墨碳氮化物（BCN）的技术实现。BCN@SCDBW在整个波长范围内具有高达88.3%的光吸收率，在一阳光照射下蒸发速率为2.21 kg·m?2·h?1。其蒸发焓低至1422 J·g?1，这一特性得益于亲水基团与水分子之间的非共价作用，显著增加了中间态水分子的比例。此外，BCN@SCDBW在15 wt%的NaCl溶液中表现出优异的抗盐性，从海水中蒸发的淡水符合WHO和EPA标准，并能有效净化各种废水。更重要的是，BCN@SCDBW有效抑制了由BCN产生的光生载流子的复合，从而显著提升了光催化降解效率。实验表明，四环素在60分钟内降解效率达到91%，其中·OH和·O??是光催化降解过程中的主要自由基。这项研究为开发多功能木材基太阳能驱动界面蒸发器提供了新的思路。
引言
随着全球人口持续增长和工业化进程加快，淡水短缺已成为当今世界面临的严峻挑战[1],[2]。在各种淡水获取技术中，太阳能驱动的界面蒸发因直接利用可再生能源、无需复杂基础设施以及运行成本低等优势而受到广泛关注，并在过去几年内取得了快速发展[3]。该技术通过将光热转换限制在水蒸气界面，实现了高效的局部热能转换，减少了热量向水体中的流失，从而大幅提高了蒸发效率。研究人员开发出了多种高性能的光热材料，并通过结构设计优化了水传输和热管理，显著提高了蒸发速率[4],[5]。然而，目前大多数传统蒸发器依赖单一物理分离机制，功能仅限于海水淡化或纯水蒸发。当处理含有抗生素等有机污染物的复杂水体时，问题变得更加复杂，这些有机污染物不会随蒸汽蒸发而排出，而是滞留在剩余废水中并不断浓缩，长期存在二次环境污染的风险[6]。因此，开发能够在蒸发过程中高效降解有机污染物的同时生产淡水的多功能蒸发器已成为该领域亟待解决的课题。
光催化技术利用半导体在光照下产生电子-空穴对，这些电子-空穴对与水和溶解氧反应生成强氧化活性物质，从而分解有机污染物[7]。由于其温和的反应条件和可直接利用阳光驱动的特点，该技术在污染水处理领域具有独特优势[8]。石墨碳氮化物作为一种非金属半导体光催化剂，因其适当的能带结构、优异的化学稳定性和对可见光的响应性而受到关注[9],[10]。最近，通过元素掺杂制备的黑石墨碳氮化物（BCN）进一步扩大了光吸收范围，展现出在光催化和光热转换方面的双重潜力[11]。然而，大多数光催化剂以粉末形式使用，这在实际应用中存在散聚和回收困难的问题，严重限制了其在污染水处理中的应用[12]。因此，寻找合适的基底材料将界面蒸发和光催化降解功能集成到同一基底上，不仅有助于固定光催化剂以解决回收难题，还能实现污染水的有效净化。
木材作为一种可再生、低成本且具有天然层次多孔结构的生物质材料，完美满足了这些要求。一方面，木材沿生长方向排列的许多纵向管胞和导管为水传输提供了天然通道；另一方面，纤维素上的丰富羟基为负载功能性物质提供了大量活性位点[13]。木材的三维多孔结构使负载的光催化剂能够充分与水体中的污染物接触，同时木材的毛细作用持续为光催化反应提供反应物[14]。然而，天然木材也存在局限性：其浅色导致光吸收较差，大部分阳光被反射或透射，难以实现高效的光热转换[15]；同时，木材中的疏水性木质素阻碍了水的快速传输[16]。
基于上述分析，本研究提出了一种整合界面蒸发和光催化降解功能的设计策略。利用天然轻木作为基底，通过脱木质素处理、表面碳化处理和超声辅助沉积BCN的三步工艺成功制备了多功能蒸发器（BCN@SCDBW）。脱木质素处理暴露了大量亲水羟基，打开了水传输通道，为后续功能修饰提供了活性位点；表面碳化层充当宽带光吸收器和光热转换单元；BCN均匀沉积在微通道上，同时具备光催化降解和光热转换的双重功能。这种集成设计不仅克服了传统蒸发器的局限，还解决了光催化剂回收困难的问题。结果，BCN@SCDBW在60分钟内实现了91%的四环素降解效率，·OH和·O??被认为是光催化降解过程中的主要自由基。本研究为开发用于处理复杂水体的多功能木材基蒸发器奠定了研究基础。
章节摘录
材料
轻木来自南美洲，购自阿里巴巴的供应商。亚氯酸钠（NaClO?，99%）和乙酸（CH?COOH，99%）购自天津天利化工试剂有限公司。Floxine B（C??H?Br?Cl?Na?O?，99%）、尿素（CH?N?O，99%）和四环素盐酸盐（TC，C??H??ClN?O?，99%）购自Aladdin试剂有限公司。所有化学品均为分析纯级别。
BCN（黑色石墨碳氮化物）的制备
将50 g尿素和0.75 g Floxine B混合后放入坩埚中，然后...
表征
多功能木材基蒸发器的制备过程如图1(a)所示。为了实现优异的太阳能驱动界面蒸发和光催化抗生素降解性能，首先对轻木进行脱木质素处理以去除疏水性木质素，暴露出纤维素上的亲水基团并打开水传输通道，得到DBW。随后对DBW进行表面碳化处理，形成一层薄而均匀的碳化层...
结论
本研究成功设计并制备了一种多功能木材基蒸发器，集成了界面蒸发和光催化降解功能。BCN@SCDBW以脱木质素的轻木为基底，通过表面碳化形成宽带光吸收层，并在超声辅助下均匀沉积BCN，纤维素上的-OH基团与BCN边缘的-NH?基团之间的氢键确保了BCN的稳固沉积。
CRediT作者贡献声明
Ma Chang： 文章撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、方法论设计、概念构建。An Xinyu： 方法论设计。Guo Minghui： 资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
Chang Ma|Xinyu An|Minghui Guo
