自浮式 WO2.72/B-TiO2@碳纤维/粘胶/聚氨酯多层膜用于太阳能驱动水蒸发、海水淡化及光催化

《Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers》：Self-floatable WO 2.72/B-TiO 2@CF/Rayon/PU Multilayer membrane for solar-Driven water evaporation, desalination, and photocatalysis

　　

摘要
背景
由于人口快速增长和环境污染，获取清洁水源正变得越来越具有挑战性，使得可持续解决方案比以往任何时候都更加重要。太阳能驱动界面水蒸发已成为一种有前景的、能源高效的淡水生产方法。
方法
在本研究中，我们将还原氧化钨/黑氧化钛（WBT）光热材料集成到碳纤维（CF）上，并与粘胶（Rayon）和聚氨酯（PU）层结合，开发了一种自浮且可规模化的多层膜（WBT@CF/Rayon/PU）。每一层都发挥着不同的作用：WBT@CF 层有效地捕获阳光并将其转化为热量；超亲水粘胶确保连续的水传输，而轻质、多孔的 PU 层提供浮力和隔热。这种设计的不对称结构促进了水的定向流动。
显著发现
我们也探讨了隔热层的厚度和润湿性如何影响供水。PU 层过厚或人工润湿的膜由于水传输不良，表现出预湿润水蒸发性能。相比之下，优化后的膜（2 mm PU 层）实现了 1.64 kg m?2 h?1 的稳定高蒸发率。除了蒸发，该膜还表现出有效的脱盐、有机污染物降解和强耐久性，在自然阳光下达到超过 7 kg m?2。总体而言，这项工作为可持续淡水生产提供了一条实用且高效的途径。

引言
清洁水资源短缺已成为人类生存的重大问题，环境污染和人口快速增长加剧了这一问题 [[1], [2], [3]]。目前，全球约一半的人口居住在水资源有限的地区，预计到 2050 年，全球将有五十亿人居住在这些地区 [4,5]。因此，解决清洁水资源短缺问题至关重要。因此，寻找高效、经济且环保的淡水或清洁水生产方法至关重要。值得注意的是，太阳能是一种丰富、可持续和可再生的能源 [[6], [7], [8], [9], [10]]。它已被广泛用于将废水转化为清洁水，文献中记录了多种水蒸发系统。结果表明，其有能力在实际应用中从废水中生产清洁水 [[11], [12], [13], [14], [15], [16]]。然而，其实际适用性受到以下一个或多个限制因素的阻碍：制备工艺复杂、材料成本高、缺乏环保性、循环和长期稳定性差以及难以大规模生产 [17,18]。因此，有必要开发一种可规模化、廉价、有效且稳定的水蒸发器。
在界面水蒸发（IWE）系统中，用于吸光并转化为热量的材料是决定总效率、性能、耐久性和稳定性的关键因素 [19,20]。在光催化中，其高浓度的氧空位被认为通过提供窄带隙和大量有机污染物的活性位点，从而增强光催化活性，此外还有其光学特性 [[21], [22], [23]]。然而，纯 WO2.72 的光催化活性有限，这是由于快速的电子 - 空穴复合及其无法吸收可见光，导致大量太阳光未被利用 [24]。因此，需要合适的材料来克服 WO2.72 的局限性。另一方面，氧化钛存在三种主要形式：化学计量型（TiO2）、非化学计量型（TiO2-x）和亚化学计量型（TinO2n-n）[25]。化学计量型（TiO2）具有宽带隙（>3.0 eV），限制其吸收仅局限于紫外区域，这仅占太阳光谱的<5% [26]。为了提高太阳能利用率，已经开发了缺氧 TiO2-x 和 TiO2n-1，显示出扩展至可见光和近红外区域的吸收。通过引入氧空位、Ti3+ 中心或氢掺杂产生的黑色或还原型 TiO2 表现出窄带隙和增强的光热响应 [[27], [28], [29]]。这些缺陷工程化的 TiO???结构有效地增强了光捕获和光热转换，使其适用于太阳能驱动水蒸发和光催化活性，同时也表现出良好的化学稳定性和非毒性 [[30], [31], [32]]。此外，它具有太阳能水蒸发所需的光热转换特性；然而，与高氧空位或等离激元材料相比，其热定位性不强，且热导率低 [33]。为了克服这些局限性，我们需要找到合适的材料。
在此基础上，缺氧化钨（WO?.??）与黑二氧化钛（B-TiO?）的耦合形成了异质结，有效地整合了它们互补的光学和电子特性。WO2.72 具有大量的氧空位和强局部表面等离激元共振（LSPR），提供广泛的太阳光吸收和高效的光热转换。同时，B-TiO2 由于 Ti3+ 态和晶格缺陷而具有缩窄的带隙和增强的电荷迁移率。在复合时，WO2.72/B-TiO2 界面建立了内建电场，促进定向电荷转移并抑制电子 - 空穴复合。这种协同相互作用改善了全太阳光谱的光吸收并促进了高效的能量转换。因此，异质结结构增强了光热性能和稳定性，使 WO?.??/B-TiO? 成为太阳能界面蒸发和光催化过程的有前景的复合材料。因此，它们被选用于本工作。此外，碳纤维（CF）是一种主要由碳原子组成的商用材料，具有多种卓越品质，包括广泛的光吸收、良好的化学性质和优异的机械能力，以及促进水蒸气从其表面去除的疏水性。它被选为主基体以增强光热转换和光吸收。CF 可以通过可规模化的造纸方法制备，这使得蒸发器能够大规模生产 [16]。
向蒸发区域提供充足的水传输也是界面水蒸发实现高效水蒸发的关键参数。因此，设计表现出优异光热转换、充足水传输和散热过程中低热损失的水蒸发器结构是必要的 [[34], [35], [36]]。为了克服因散热造成的热损失，各种学者报告使用隔热材料作为蒸发器的底层。研究结果表明，在存在隔热层的情况下，水蒸发效率得到了提高 [16,37]。如今，聚氨酯（PU）由于其吸引人的特性，包括轻质、低热传导能力、耐候性、显著的机械耐久性、高微孔率和易于大规模生产，在各种应用领域获得了重要关注 [35]。在实际应用中，成本效益、制备方法的环保性以及材料的大规模生产能力是主要考虑标准。有趣的是，PU 满足上述标准，并且由于其低密度和疏水性，可以在蒸发器的自浮性方面发挥重要作用 [11,38]。因此，它被选为该研究中蒸发器的底层。尽管如此，CF 和 PU 两种材料都是疏水的，这使得难以将水传输到光热层。向蒸发区域无效的水传输会影响材料的蒸发性能 [34]。因此，这应该得到解决。因此，选择合适的材料并设计解决这个问题的结构至关重要。随后，粘胶作为一种可生物降解和亲水的材料 [16,17]，被选为中间层，以解决无效水传输的问题。然而，理解多层系统内的耦合热和质量传输仍然存在根本性挑战。虽然隔热层增强了热定位，但它们也可能引入质量传输阻力，限制连续蒸发过程中的毛细水供应。致密或低渗透性的隔热会破坏热 - 质平衡，降低蒸发效率并导致内部水分积聚 [39]。此外，长期稳定性受到盐分积累的阻碍，这会阻塞孔隙，限制水通道，并减少蒸发界面的光吸收 [40,41]。虽然已经探索了亲水通道工程和水门控结构等策略，但隔热与水力渗透性之间的权衡仍然缺乏量化。特别是，隔热层微观结构、厚度和润湿性对连续水抽吸的影响尚未完全了解。因此，建立隔热设计与水传输阻力之间的定量关系，对于开发高效和耐用的光热蒸发系统至关重要。
在此，成功开发了一种太阳光活性和自浮的还原氧化钨/黑氧化钛@碳纤维/粘胶/聚氨酯（WO2.72/B-TiO2@CF/粘胶/PU）膜，命名为 WBT@CF/粘胶/PU 多层膜。在此，该膜被有意设计为高效吸收全太阳光、充足水传输、自浮性和有效热管理，所有这些都是界面水蒸发所必需的。因此，选择 CF 是因为其易于大规模生产、疏水性和优异的光热转换。WO2.72/B-TiO2 纳米复合材料具有出色的全光谱光吸收能力。同时，粘胶在将水传输到光热表面方面发挥着重要作用，由于其亲水性，而 PU 作为隔热材料和热管理，由于其疏水性和低热导率。虽然多层膜通过有效的界面热定位和毛细驱动水传输增强了太阳能到蒸汽的转换，但关键的机制设计方面仍未得到充分探索。这项工作旨在阐明由于未充分考虑水传输限制和预湿润效应而导致的蒸发率报告潜在高估问题。通过比较不同 PU 泡沫厚度和配置的膜，研究旨在确定向光热界面连续抽水如何影响蒸发稳定性和效率。此外，这项工作旨在通过减少隔热层厚度以确保连续供水来优化膜结构，从而实现稳定和现实的太阳能驱动蒸发性能。

章节片段
材料
氯化钨（VI）（99.9% ACROS，新泽西州，美国），二氧化钛（TiO2），硼氢化钠（NaBH4），乙醇（京明化学），过硫酸铵（H3N2O8S2，Aencore Chemical），硫酸（98%，京明化学），无水乙醇（Absolute 99.5%，京明化学），丙酮：99.9%，京明化学，氯化钠（NaCl），Seedchem，N-苯基甘氨酸，Alfa Aesar，N-甲基吡咯烷酮（1-甲基 -2- 吡咯烷酮，NMP ECHO），氯化钙（CaCl2，SHOWA），氯化钾（KCl，
样品表征
纳米复合材料的表面形貌通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）进行检查。如图 3a 所示，合成的 B–TiO? 颗粒表现出均匀的球形形貌，而原始的 WO?.?? 显示出特征性的针簇海胆状结构（图 3b）。WBT-50 纳米复合材料的 FESEM 图像（图 3c）显示，较小的 B–TiO? 纳米颗粒被整合在较大的 WO?.?? 海胆状框架内。由于明显的
结论
在本工作中，我们通过整合用于宽带光吸收的光热 WBT-50@CF 顶层、用于高效水传输的亲水粘胶中间层和用于热管理和浮力的隔热 PU 底层，开发了一种可规模化且自浮的多层膜。所得膜在太阳能驱动水蒸发、脱盐和光催化降解方面表现出优异的性能，蒸发效率为 99%。其高且稳定的性能
CRediT 作者贡献声明
Wubetu Belay Yeshaneh：写作 – 原稿撰写，验证，方法论，调查，形式分析，数据整理。Chang-Mou Wu：写作 – 审查与编辑，监督，方法论，资金获取，概念化。Kebena Gebeyehu Motora：写作 – 审查与编辑，方法论。Yu-Ting Peng：方法论，形式分析，数据整理。
Wubetu Belay Yeshaneh|Chang-Mou Wu|Kebena Gebeyehu Motora|Yu-Ting Peng
国立台湾科技大学材料科学与工程系，台北 10607，中华民国台湾