废弃聚酯升级再造为钴钼硫化物修饰碳泡沫用于光热海水淡化及基于Taguchi实验设计的参数优化

《Energy Materials》：Upcycling waste polyester into cobalt-molybdenum sulfide-decorated carbon foam for photothermal desalination and parametric optimization using Taguchi design of experiments

　　

光热海水淡化是一种新兴的太阳能驱动水淡化技术。该领域的主要开放性问题之一是开发能够保证高光热效率和蒸发速率的新材料。本研究将废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶升级再造为碳泡沫（CF），然后通过水热合成法在其上修饰Co-Mo₂S₃以制备光热蒸发器。所合成的Co-Mo₂S₃/CF在1,000 W m^-2辐照下使用3.5% NaCl溶液进行1 h实验，实现了2.13 kg m^-2 h^-1的平均蒸发速率，而CF仅为1.55 kg m^-2 h^-1。采用Taguchi正交阵列实验设计（DOE）优化输入参数对盐水蒸发速率的影响。实验设计矩阵显示在真实太阳光下最大水蒸发速率为1.77 kg m^-2 h^-1。Taguchi分析给出了蒸发速率的最优操作参数如下：盐度30 g L^-1（水平1）、盐水pH 5（水平2）、时间2 h（水平2）。统计结果表明盐度是影响蒸发速率的主要因素。本研究通过将塑料废物转化为生产清洁水的宝贵资源，解决了水资源短缺问题并促进了循环经济，同时为利用统计工具优化操作参数提供了深入见解。

现代工业化和世界人口的快速增长加剧了淡水短缺，已成为全球性问题。由于海水占世界水资源的97%，研究人员正在努力对其进行淡化处理。可实施多种脱盐工艺，如反渗透（RO）、正渗透（FO）、膜蒸馏（MD）、电容去离子（CDI）、太阳能蒸馏器（SS）和加湿-除湿脱盐（HDH）。界面太阳能蒸汽生成（ISSG）因其简单性、超亲水高太阳能吸收材料的潜在应用、自漂浮特性和稳定性而受到广泛关注。界面加热系统中的光热材料将吸收的太阳热量局域在空气-水界面，减少热损失并提高蒸汽产生效率。塑料，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶，已成为日常生活中不可或缺的一部分，但其广泛使用和处置构成了重大的全球挑战。全球每年产生高达63亿吨废塑料，其中9%被回收、12%被焚烧、79%积累在垃圾填埋场。由于废塑料不易生物降解，通常采用机械回收、焚烧和填埋等常规路线进行管理，这些被视为降级回收路线，因为它们降低了塑料的质量。废弃聚酯的升级再造，特别是来自废弃PET瓶的升级再造，包括将废物转化为创新和高价值产品，是减少"白色污染"的可持续方式。为实现通过预防、回收和再利用大幅减少废物产生，将废弃聚酯转化为多孔碳涉及循环经济方面，正受到政策制定者、企业和政府的高度关注。利用废弃PET瓶制备的碳基太阳能蒸发器可能是一种可持续的解决方案，具有减少塑料废物和解决水资源短缺的能力。为获得高太阳能蒸发速率，可识别出四大类光热材料，包括聚合物、无机半导体、金属纳米结构和碳基光热材料。理想的光热材料是一种能吸收高达2.5 μm的整个太阳光谱并在较长波长处具有低发射率以避免黑体发射的物质。作为一种创新的光热材料，碳泡沫因其多孔结构相比传统碳材料更易于调控而受到越来越多的关注。此外，将多孔亲水碳泡沫与适当调控的纳米结构相结合可以增强光热脱盐过程中的蒸发速率。具有低热导率和超亲水特性的杂化纳米复合材料用于太阳能蒸汽生成系统，实现最佳宽带吸收、局域加热、减少热损失和增强光热转换效率。过渡金属硫化物是光捕获的一种有前景的选择。具有低带隙（1.3-1.9 eV）的硫化物纳米结构组成的光热材料可以吸收整个290-2,500 nm太阳光谱的95%以上。Yang等人证明基于MoS₂和纳米管的杂化薄膜实现了高的光热转换效率。Guo等人进行了结构优化以提高MoS₂基材料的蒸发速率，通过创建MoS₂-棉布基底、MoS₂-三聚氰胺泡沫、1T/2H相MoS₂纳米片和MoS₂/C@聚氨酯复合海绵。近期研究表明，废弃PET可以有效地转化为碳基光热蒸发器用于界面太阳能脱盐，为塑料废物 valorization 提供了环境可持续的解决方案。尽管取得了这些进展，大多数塑料废物衍生的碳基蒸发器主要依赖于碳的固有光热特性（如N掺杂碳泡沫）、在900 °C下从废塑料混合物高温合成石墨碳纳米片和PET衍生的MnO/C在600 °C下制备，或仅使用窄组的额外光热材料如废弃PET衍生的ZnO多孔碳和PET废物衍生的碳整块体（低蒸发速率0.99 kg m^-2 h^-1，效率63%）。然而，这些研究突出了在开发低温、简便合成路线以从废塑料制备高效太阳能蒸汽发生器方面的局限性。此外，对操作参数如何影响脱盐性能的系统理解尚缺乏，因为上述研究使用的是单因素法而非统计设计方法。本研究报道了一种通过低温（340 °C）升级再造PET衍生的CF，然后使用简单水热法浸渍钴钼硫化物（Co-Mo₂S₃）制备的杂化Co-Mo₂S₃/CF太阳能蒸发器。由于硫属化物的功能化，紫外-可见-近红外（UV/Vis-NIR）吸收从CF在近红外区域的68%提高到Co-Mo₂S₃/CF的95%。因此，Co-Mo₂S₃/CF蒸发器的蒸发速率达到2.13 kg m^-2 h^-1，而CF为1.55 kg m^-2 h^-1。此外，采用Taguchi实验设计（DOE）优化和评估了多个因素（盐水pH、太阳光暴露时间和盐度）对蒸发速率的影响，从而获得太阳能脱盐的最佳工艺条件。总体而言，本工作提供了PET衍生的杂化光热蒸发器和统计引导的工艺优化，为解决水资源短缺和塑料废物管理挑战提供了环境友好的方法，从而促进循环经济实践。在实验方法方面，研究人员采用低温碳化法（340 °C）将废弃PET瓶与三聚氰胺和共晶盐（ZnCl₂/NaCl）混合制备碳泡沫，随后通过一步水热法（200 °C，24 h）在CF上沉积Co-Mo₂S₃纳米结构。材料表征方面使用了X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外-可见-近红外分光光度法（UV/Vis-NIR）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和差示扫描量热法（DSC）。界面太阳能蒸汽生成（ISSG）实验在模拟太阳光（1,000 W m^-2，AM1.5G）下进行，使用3.5% NaCl溶液，并通过热像仪监测表面温度。Taguchi正交阵列DOE采用L9（3⁴）设计，考察pH（1、5、9）、时间（1、2、3 h）和盐度（30、40、50 g L^-1）三个因素在三水平下的影响，使用Minitab统计软件进行设计和分析。研究结果方面，通过XRD分析确认了Co-Mo₂S₃/CF中单斜Mo₂S₃的特征衍射峰，平均微晶尺寸为13.6 nm，同时在约25.2°处观察到部分石墨化碳的（002）晶面宽衍射特征。FTIR分析表明Co-Mo₂S₃的引入未改变CF的表面官能团，碳泡沫结构在水热金属硫化物整合过程中得以保持。XPS分析揭示了样品的表面元素组成和化学状态，Mo 3d谱显示Mo(III)、Mo(IV)和Mo(VI)的混合价态共存，Co 2p谱未显示明确峰，表明钴以极低浓度或高度分散的形式存在于Mo₂S₃基质中。SEM图像显示原始CF具有粗糙的开孔多孔形态，Co-Mo₂S₃ incorporation后多孔骨架保持完整，表面因纳米颗粒的均匀沉积而变得更加粗糙，EDS元素映射确认了包括钴在内的完整元素组成。UV/Vis-NIR吸收光谱显示Co-Mo₂S₃/CF在整个紫外-可见-近红外光谱区域表现出大于95%的吸收，而CF在近红外区域从91%降至68%。在ISSG实验中，Co-Mo₂S₃/CF在1 h实验内实现了2.13 kg m^-2 h^-1的平均蒸发速率，而CF为1.55 kg m^-2 h^-1；在真实太阳光下Co-Mo₂S₃/CF的蒸发速率为1.77 kg m^-2 h^-1。热成像显示Co-Mo₂S₃/CF的干表面温度为83 °C（CF为66 °C），湿表面温度为43.1 °C（CF为34.6 °C）。接触角测量表明CF和Co-Mo₂S₃/CF均为亲水性。Co-Mo₂S₃/CF的蒸发效率达到91%。在稳定性测试中，Co-Mo₂S₃/CF在第1天6 h连续运行中保持2.18 kg m^-2 h^-1的蒸发速率，第三次循环后蒸发速率为2.16 kg m^-2 h^-1，自清洁后Na原子浓度从6.51%降至0.32%，每个6 h操作循环中维持42.2 °C的湿表面温度。Taguchi正交阵列DOE分析表明，在pH 5、3 h光照和30 g L^-1盐度下获得最大蒸发速率1.77 kg m^-2 h^-1，盐度对脱盐过程影响最大，其次为时间和pH；Taguchi分析确定的最优操作参数为盐度30 g L^-1（水平1）、pH 5（水平2）和时间2 h（水平2）；方差分析（ANOVA）和F检验表明这些工艺参数在测试条件下对蒸发速率的影响不具有统计学显著性（P > 0.05）。在不同盐浓度（3.5%、7%、10%和20%）的脱盐实验中，蒸发速率在3.5%至7% NaCl范围内保持稳定，但进一步增加盐浓度导致蒸发速率从3.5%时的2.13 kg m^-2 h^-1急剧下降至20%时的1.20 kg m^-2 h^-1。讨论部分指出，盐度增加通过降低水活度、增加溶液粘度和在蒸发界面开始局部盐积累等综合效应降低蒸发速率。机械稳健的蒸发器对于太阳能蒸汽发生器至关重要。当前结果表明，界面太阳能脱盐的未来进展应超越新材料开发，还应解决限制光热转换效率和蒸发速率的因素，将先进光热材料工程与基于统计的工艺优化相结合，为开发稳健、可扩展和节能的太阳能脱盐技术提供了有前景的途径。结论部分翻译如下：本研究利用废弃PET瓶合成了CF材料。此外，由纳米结构Co-Mo₂S₃组成的光热活性层的沉积通过在近红外光谱区域的拓宽太阳光吸收增强了界面太阳能脱盐性能。合成的材料通过XRD和SEM以及UV/Vis和FTIR光谱进行了表征。CF的结构与Co-Mo₂S₃光学吸光度的增加使得在1,000 W m^-2辐照下使用3.5% NaCl溶液的1 h实验中平均蒸发速率达到2.13 kg m^-2 h^-1，而裸CF为1.55 kg m^-2 h^-1。采用Taguchi DOE确定了三个变量的最优设置：暴露时间（2 h）、pH（5）和盐度（30 g L^-1），以在自然太阳光下实现最优蒸发速率。结果表明，增加太阳光暴露时间和降低盐度可提高盐水的蒸发速率。ANOVA结果表明这些操作参数不具有统计学显著性。因此，未来研究应侧重于标准化测试和报告流程以优化这些参数。这些结果为光热材料合成的进一步发展以释放太阳能驱动清洁水生成过程中更高的效率以及操作参数的统计引导优化提供了良好的基础。