双层等离子体增强的多级孔通道Janus气凝胶中的光热转换技术，用于太阳能水蒸发和废水处理

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Dual-plasmon enhanced photothermal conversion in multilevel pore channel Janus aerogels for solar water evaporation and wastewater degradation

　　

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  一种多层孔道Janus气凝胶被设计为能够将热量集中与连续的毛细水供应相结合。
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  Ag和Cu_2?xS的双等离子体耦合实现了宽带光吸收和增强的光热转换。
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  在单阳光照射下，实现了高达4.40 kg·m^?2·h^?1的蒸发率和171.8%的转换效率。
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  这种Janus气凝胶具有耐盐性，并且能够降解四环素，可用于海水淡化和废水处理。

引言

全球淡水短缺和水污染的双重压力使得低能耗、可持续的水净化技术成为研究和实际应用中的共同优先事项[1],[2],[3]。基于光热转换的太阳能驱动界面水蒸发技术可以直接利用阳光，在水和空气界面实现局部加热，因此被视为缓解清洁水短缺的有效方法[4],[5],[6]。与传统的批量加热方法相比，界面光热蒸发将热量限制在气体和液体界面，仅加热参与相变过程的一小部分表面水，从而显著提高了热利用率并增加了蒸发速率[7],[8],[9],[10]。同时，这项技术可以通过结构和界面设计动态调节蒸发通量和蒸汽温度等参数[11]。然而，太阳能海水淡化仍处于发展的早期阶段。要提高太阳能收集和光热效率、减少热量损失，并确保界面处有足够的水供应以实现足够高的太阳能驱动蒸发速率以进行实际的水生产，仍然面临很大挑战[12],[13]。

典型的界面蒸发系统通常由上层的光吸收层和下层的功能支撑层组成。近年来，等离子体材料被广泛用于构建高性能的光热界面[14],[15]。金和银等贵金属纳米颗粒是最常见的例子。它们的局部表面等离子体共振（LSPR）可以在特定光谱带内产生强烈的光吸收和局部加热[16],[17],[18]。然而，单一贵金属的吸收带往往较窄，热载流子的寿命有限，这使得难以有效利用宽频谱的太阳辐射。进一步的研究发现，通过将贵金属与半导体结合构建金属-半导体异质结，可以显著扩展光谱响应并通过在界面的增强等离子体耦合来提高光热转换效率[19],[20],[21]。此外，这还为热载流子的分离和传输提供了途径，从而提高了能量利用率。在这些候选材料中，基于铜的硫化物（Cu_2-xS）由于其可调的自由载流子浓度、优异的近红外吸收和低成本而展现出巨大的光热转换潜力[22],[23],[24]。首先，它们具有独特且可调的电子能带结构，价带最大值由S 3p轨道主导，导带最小值由金属d轨道主导，共同促进了窄带隙的形成[25]。其次，强烈的电子相关性效应可以诱导不寻常的量子态，为光热转换提供了多种热电子传输途径[26]。Kang等人[27]设计并制备了一种三元等离子体混合材料MXene/Au@Cu_2-xS，其中Cu_2-xS作为具有显著近红外等离子体共振和高效光热转换的等离子体半导体。通过构建Au@Cu_2-xS核壳结构，实现了等离子体协同耦合和多通道电荷传输，显著提高了从紫外线到近红外区域的光吸收和光热转换性能。

另一方面，界面水的有限活化是一个常被忽视但最终决定了界面蒸发系统性能上限的关键因素[28],[29]。这个问题可以通过结构优化有效解决，特别是通过调节水的传输。因此，3D多孔气凝胶因其低热导率、高孔隙率和良好的水传输特性而被广泛用作界面蒸发器的支撑基质[30],[31]。基于石墨烯的气凝胶不仅提供优异的光吸收和热稳定性，其2D纳米片构建块还可以提供受限空间，有助于调节界面水的氢键结构[32],[33]。Gan等人[34]设计并制造了一种独特的Janus层状多孔碳/石墨烯-氧化物复合气凝胶（CFGOA），它具有双域结构，在全碳框架内具有独立的表面润湿性，将顶部的疏水性光吸收还原石墨烯氧化物层与底部的亲水性多孔碳层结合在一起。通过调整CFGOA的层状多孔结构，其密度、耐盐性和等效蒸发焓得到了优化。

基于这一背景，我们开发了一种Janus型蒸发器，由超疏水金属-半导体复合光热顶层和超亲水3D多孔rGO水传输底层组成。具体来说，将Ag纳米颗粒光化学沉积在等离子体半导体Cu_2-xS的表面上，构建了Cu_2-xS@Ag复合光热层，利用两者之间的强等离子体耦合实现了从可见光到近红外的高效宽带吸收和光热转换。同时，核壳结构中的界面声子散射效应有效抑制了热量损失。底部的层次化通道rGO气凝胶通过微米级孔洞提供了连续稳定的毛细路径供水使用，同时通过Marangoni对流增强了耐盐性。在纳米尺度上，二维限制促进了水分子簇的形成，从而降低了蒸发焓，实现了高蒸发率和低能耗蒸发。此外，我们还进一步检验了其在光/光热协同催化水净化中的性能。通过整合LSPR效应、核壳限制和层次化孔道策略，这项工作建立了一个结合高效光热蒸发和水净化功能的太阳能水处理系统，拓宽了太阳能收集和环境技术的前景。

部分摘要

Cu_2–xS的制备

将10 mmol的CuSO₄·5H₂O、5 mmol的硫代硫酸钠和0.15 mmol的L-抗坏血酸加入60 mL的去离子水中，并剧烈搅拌30分钟。将所得混合物转移到聚四氟乙烯内衬的高压釜中，在180℃下进行3小时的水热反应。产物用去离子水洗涤三次，得到黑色的Cu_2–xS粉末（CS）。

Cu_2–xS @Ag的制备

首先，在搅拌下将0.08 g的AgNO₃溶解在10 mL的去离子水中。然后，将0.1 g的CS分散其中

GCA复合气凝胶的形态和结构特性

利用简单的一步水热方法，我们成功制备了一种具有均匀结构和3D层次化多孔网络的还原RGO。该气凝胶进一步与装饰有Ag纳米颗粒的CA空心核壳混合微球复合，形成了具有明确双层宏观结构的复合气凝胶GCA。整个制备过程和结构示意图如图1a所示。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，GCA

结论

总之，我们成功开发了一种双层Janus配置的GCA（RGO/Cu_2-xS@Ag）气凝胶界面蒸发器，它结合了高效的光热蒸发和光/光热协同水净化。得益于疏水光热层中的强等离子体耦合，该蒸发器实现了高达96.5%的宽带太阳吸收，而核壳界面处的声子散射抑制了热导率。在1太阳照射下，

CRediT作者贡献声明

张一宁：研究、初稿撰写、方法论设计。徐梦阳：研究、数据管理和形式分析。李金泽：研究。刘翔宋向海刘欣周伟强张继生杨洋霍鹏伟

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号22078131和22108102）、江苏省优秀博士后人才资助计划（2023ZB299）和江苏省青年学者基金（BK20230163）以及中国博士后科学基金（编号2023TQ0381和2024M761216）的财政支持。

注释

作者声明没有利益冲突。

张一宁|徐梦阳|李金泽|刘翔|宋向海|刘欣|周伟强|张继生|杨洋|霍鹏伟