利用具有光热消毒功能的生物质碳纳米点蒸发器进行高效太阳能驱动水处理

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：High-efficiency solar-driven water remediation using biomass carbon nanodot evaporator with photothermal disinfection

　　

摘要太阳能驱动界面蒸发（SIE）已成为一种可持续的水净化策略，然而大多数系统仅针对化学污染物或微生物病原体。在此，我们报道了一种生物质衍生碳纳米点（BCN）蒸发器，它在自然阳光照射下实现了高效的水修复和光热消毒。由农业生物废料合成的氮掺杂 BCN 表现出强烈的宽频吸收、亲水性和光动力抗菌活性。集成在介孔纤维支撑体上后，该蒸发器通过侧面积辅助蒸发，在倾斜照射（入射角为 60°）下实现了 2.4 kg m-2 h-1 的蒸发速率，其太阳能 - 蒸汽转化效率极高，优于大多数生物质基光热材料。此外，该太阳能界面在阳光照射下能够强力产生活性氧，从而在 1 小时内确保 >99.9% 的大肠杆菌灭活，产生了卓越的光动力抗微生物作用，从而修复了废水。实时户外系统实现了 >99% 的染料去除率和 >98% 的重金属拒绝率，并且在 15 天内保持性能稳定。这项工作展示了一种多功能、低成本的生产清洁水的方法，突显了生物质纳米材料在未来 SIE 中用于盐碱地农业和水修复的前景。

引言水资源短缺和污染是全球最紧迫的环境挑战之一。工业废水、农业径流和未经处理的污水排放将化学污染物（染料、重金属）和生物病原体排入水体 [1], [2], [3]。与此同时，由于全球人口的迅速扩张，能源枯竭和粮食短缺问题已变得越来越紧迫，预计将在 2050 年超过 98 亿，严重挑战了联合国的可持续发展目标 [4], [5]。然而，一方面传统的处理方法如膜过滤、化学氧化、吸附、氯化往往会产生高能耗、产生二次污染物或存在污染和维护问题 [6]。另一方面，本已濒临崩溃的能源 - 粮食纽带因全球气候变化和海平面上升等环境问题而加剧 [7]。因此，迫切需要新的集成技术，能够超越资源优化、环境保护和人类福祉之间的权衡 [8]。

为此，太阳能驱动界面蒸发（SIE）已成为一种范式转变和可持续的生态友好型水修复技术 [9], [10], [11], [12]。与传统的体加热方法不同，SIE 通过精确在气 - 水界面局部化太阳能吸收和热量产生来运行。值得注意的是，耦合一些创新的发电机，SIE 已在水电联产方面表现出卓越的性能 [13], [14], [15], [16], [17]。此外，其范围已扩展到资源回收以及淡水和电力的协同共生产 [18], [19], [20]。这种巧妙的设计最小化了向底部体水的寄生热损失，从而极大地提高了能源利用率 [21], [22], [23]。因此，SIE 系统的太阳能 - 蒸汽能量转化效率可以达到显著高的水平，通常超过 80%，甚至在先进的架构中达到超过 90% [24]。受自然启发设计与环保材料之间的协同作用正在为可扩展和实用的 SIE 应用铺平道路，将该技术定位为应对全球淡水短缺的有前景的解决方案 [14], [21], [25], [26]。然而，将这些实验室规模的进展转化为实际应用，特别是在处理高盐水资源时，受到一个持续且关键的瓶颈的阻碍：盐结晶。在持续的太阳能蒸发过程中，水分的不断损失导致盐离子局部过饱和，随后成核并沉淀为固体晶体 [27]。这些盐沉积物逐渐堵塞分层水传输通道，反射并阻挡 incoming 阳光，并破坏蒸发界面处的局部热限制效应，最终导致蒸汽生成速率和系统寿命的急剧下降 [28], [29]。因此，设计一种能够有效地稳定抵抗盐结晶，同时保持高蒸发效率和有效消毒性能的太阳能驱动界面蒸发器，构成了 SIE 技术实际应用的关键研究需求。

SIE 中最吸引人的材料之一是碳基纳米材料，特别是那些源自生物质的 [30], [31]。碳基纳米材料，特别是那些尺寸小于 10 nm 的材料，代表了一类新兴的功能材料，其特征是强烈的宽频光吸收、可调的表面化学、优异的水分散性、低毒性以及源自生物废料的规模化合成潜力 [32]。这些特性使它们能够应用于包括化学传感、光催化、环境吸附以及水净化过程在内的多个领域 [30], [33], [34]。在这些碳纳米材料中，零维碳纳米点（CNDs）因其尺寸依赖的电子特性和高度可调的表面化学而脱颖而出。这些碳纳米点（CNDs）内在的零维量子限域效应和丰富的表面官能团为定制光电特性提供了高度通用的平台 [35]。具体来说，杂原子掺入碳晶格引入了局域电子态。对于氮掺杂 CNDs，来自吡啶氮和吡咯氮的孤对电子与碳网络的 π 反键（π*）轨道相互作用，形成中隙态，有效地缩小了固有带隙并实现了对可见光的显著吸收 [36]。这种带隙工程不仅促进了太阳能辐射下电子 - 空穴对的产生，而且在热力学上有利于溶解氧和水的还原以产生活性氧（ROS），如超氧阴离子和羟基自由基。同时，这些光激发载流子在共轭晶格内的非辐射弛豫触发了强烈的晶格振动，表现为显著的光热效应 [35]。这种双重功能 - 集成光动力 ROS 生成与光热加热 - 使氮掺杂 CNDs 成为同时高效灭活病原体和太阳能驱动蒸汽生成的强大平台，这种协同作用在目前大多数 SIE 系统中是严重缺乏的。最近，水分管理策略已成为提高生物质基系统蒸发性能的关键 [1], [37]。为了确保在动态户外条件下保持稳定性能，还开发了先进的自适应蒸发模式 [11], [30], [38]。此外，对离子特异性效应的利用，包括霍夫迈斯特效应，已被证明在高盐环境中有效降低蒸发焓，从而提供卓越的蒸发速率 [39]。

尽管在材料设计和能量收集方面取得了显著进展，但最近的跨学科综述严重强调，实际的 SIE 应用受到基本物理限制的显著约束，特别是由于热管理不佳和支配气液平衡的复杂物理因素导致的低冷凝产量 [13], [40]。尽管具有这些令人鼓舞的特性，但只有少数研究探索了将生物质衍生碳纳米材料（BCNs）集成到同时实现高蒸发效率和主动光热消毒的太阳能驱动界面蒸发系统中 [33], [41], [42]。此外，现有工作更罕见地提供对光热转化如何驱动消毒的全面机制理解。通常缺乏系统的表征和原位分析来验证工作原理 [43], [44]。随着细菌抗药性的日益普遍，特别是多重耐药菌，传统的消毒方法变得越来越不足，在环境水修复领域，特别是在盐碱地农业中，确保回收废水的安全再利用不仅需要去除化学污染物，还需要可靠地灭活病原微生物 [20], [40]。虽然现有基于生物质蒸发器的研究已展示了抗菌功能，但这些方法通常仅依赖光热高温疗法 [45] 或需要引入外部光敏剂 [46]。在此背景下，碳基纳米材料（如碳量子点和碳纳米酶）由于其优异的生物相容性、可调的光学特性和丰富的表面修饰位点，在光疗领域引起了相当大的关注。最近的研究发现，氮掺杂可以将缺陷能级引入碳骨架，有效地缩小带隙并促进系间窜越，从而增强单线态氧的生成效率。氮掺杂碳纳米点已被证明在光照射下能固有地产生活性氧（ROS）并表现出优异的抗菌效果 [36], [47]，这为在蒸发器内实现内在的光动力消毒提供了坚实的理论基础。尽管如此，这种源自碳纳米点自身电子结构的内在光动力能力与光热加热的协同集成仍然是生物质基太阳能蒸发器系统中一个鲜少探索的前沿领域。

在此，我们开发了一种先进的生物质衍生 BCN 蒸发器，集成在介孔纤维支撑体上，旨在最大化约 166% 的太阳能吸收、高效的水供应特征和通过光热效应灭活病原体。它不仅表现出高蒸发性能，还具有强消毒特征，并且我们对其进行了模拟污染物测试。值得注意的是，我们开发了一种原位光谱研究来验证 BCN 蒸发器可以在太阳能辐射下持续生成·OH，从而实现高抗菌效率和有效的废水净化。这些发现揭示了卓越的废水处理性能，并有助于弥合太阳能水修复中性能与多功能性之间的差距。此外，提出的户外 BCN 系统进一步用于净化模拟废水，同时实现高质量的净化并符合农业用水标准，为未来废水处理实现下一代智能蒸发器以及盐碱土壤土地的修复铺平了道路。

章节片段化学药品与材料所有化学药品均按原样使用，未经进一步纯化。生物质废料（废弃花生壳）收集自当地生物质工厂。亲水无纺布购自淘宝。鲁里亚 - 伯塔尼（LB）肉汤和 LB 琼脂来自 USB 公司。锌粉。磷酸盐缓冲生理盐水（PBS）来自 Sigma-Aldrich。大肠杆菌（ATCC 25922）来自 ATCC，Milli-Q 水来自 Milli-Q 纯化系统（德国默克密理博）。

BCN 蒸发器的制备生物质废料被放置在一个

制备与表征 BCN 蒸发器生物质衍生碳纳米点（BCN）蒸发器是通过简易合成工艺制备的，如图 1 A 所示。对于高效的太阳能驱动光热蒸发器，我们采用互连多孔织物，通过简易喷涂法进行制备。BCN 光热涂层溶液在酸浸后表现出良好的分散性，这是 BCN 蒸发器组装过程中的一个重要步骤（图 S1）。所得材料表现出定义明确且

结论总之，一种先进的 BCN 蒸发器，结合了侧面积辅助蒸发与“一石二鸟”策略，实现了优异的废水处理和高效太阳能蒸汽生成性能。BCN 蒸发器表现出惊人的光热局域效应，这得益于其纳米级碳点。值得注意的是，蒸发器的太阳能蒸发速率被确定为高达 2.4 kg m-2 h-1（在入射角为 60°的倾斜照射下），这远

未引用参考文献 [50], [51], [52], [53], [54]

CRediT 作者贡献声明孟强：可视化、调查。马佳佳：可视化、调查、形式分析。强孟：写作 - 初稿、可视化、验证、调查、形式分析、数据整理。唐刚王：监督、调查。宏光刘：写作 - 审阅与编辑、监督、资源、方法论、资金获取、概念化。鹏飞李：写作 - 审阅与编辑、监督。

利益冲突声明作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或可能被认为影响本论文报告工作的个人关系。

致谢这项工作得到了兵团财务科技计划（2023AB073）、天山英才计划（2023TSYCCX0115）和新疆生产建设兵团研究生教育创新计划（BTYJSXM-2025-KC06）的支持。

孟强 | 马佳佳 | 苏宁 | 李鹏飞 | 刘宏光 | 王唐刚
石河子大学水利建筑工程学院，石河子 832000，中国