光催化，Nature Sustainability!

学术 2024-11-09 23:55 浙江

▲第一作者：Ritwick Ghosh

通讯作者：Thomas M. Schutzius

通讯单位：瑞士苏黎世联邦理工学院, 加州大学伯克利分校

论文DOI：

https://doi.org/10.1038/s41893-023-01159-9

01

背景介绍

无能耗的被动型雾水收集为远离自然水资源的地区提供了分散和可持续的淡水供应，是解决由于分配不均衡和污染导致的缺水问题的最有前途的方法之一。合理设计的雾水收集器在低风速下对未被污染的干净雾水的最大收集效率在12%至17%左右，然而雾水容易受到空气污染物的污染，尤其是在人口密集区附近。目前较少报道可通过包含光催化活性金属氧化物纳米颗粒（如TiO₂）的网格涂层来收集和处理有机污染的雾水。然而，二氧化钛涂层网需要使用紫外灯主动和连续照射来净化水(去除有机含量<36%)，并且没有探索设备操作的基本原理。

02

本文亮点

该工作设计了一种涂有锐钛矿型二氧化钛纳米颗粒的金属网格，通过调变网格表面的润湿性，提高了水提取效率，同时这些镶嵌在聚合物基质中的纳米颗粒经阳光激活后，可以分解有机分子（如柴油等），而且即使在没有阳光的情况下依然有效。在户外测试中，该装置能够保持良好的雾水收集性能，同时水处理效率超过85%。该研究中展示的集合被动型净化功能的雾水连续生产的案例提供了一种解决水资源匮乏问题的无能耗解决方案。

03

图文解析

▲图1. 利用间歇性紫外光照进行净化的反应性涂层

要点： 亲水性TiO₂-PVB-PDMS和疏水性TiO₂-EC-PDMS涂层皆可以分解水水滴中的甲基橙，进一步研究证实TiO₂-PVB-PDMS涂层可以处理实际情况下可能遇到的柴油和双酚A等有机污染物。

▲图2. 利用表面荧光显微镜技术可视化反应性涂层上有机污染物分解的过程

要点：

1.表面荧光显微镜显示未经紫外光照射的TiO₂-PVB-PDMS涂层上含荧光素的水滴的液滴接触线是可见的，且荧光素水平保持不变，而经紫外照射激活时接触线不可见，但是荧光素水平在30分钟内降到0.002。TiO₂-EC-PDMS涂层具有同样的趋势。

2.为了理解润湿性和液滴体积对荧光素衰变时间的影响，将液滴内的有机污染物分子在液滴内传输和与表面反应建模为一维（z方向，液体高度H）扩散-吸附过程。结果表明对于TiO₂-PVB-PDMS反应性涂层，由于高度非常小，扩散的时间可以忽略，而在TiO₂-EC-PDMS反应性涂层的情况下，这是速率限制步骤。通过增加TiO₂纳米颗粒的浓度，可以达到最大的表面反应性。

▲图3.通过纳米工程反应性网结构收集和处理污染雾水

要点：未涂层网格，TiO₂-PVB-PDMS反应性涂层和TiO₂-EC-PDMS反应性涂层的雾水收集效率分别为5.6%、8.0%和3.8%，TiO₂-PVB-PDMS反应性涂层比TiO₂-EC-PDMS反应性涂层在直接收集雾水方面提高了约50%。水在涂层表面的停留时间对水净化的效率非常关键，因此，亲水性表面在收集效率和处理效率方面优于疏水性表面。

▲图4.晴天和阴天收集和处理雾水的户外演示

要点： 户外实验结果显示，水处理效率进一步提高，这是由于阳光持续激活反应性涂层所致。且收集和处理雾水的装置在阴天（需要紫外线预激活）和晴天（无需预激活）都可以工作。在高紫外线指数条件下，TiO₂-PVB-PDMS反应性网格的水处理效率超过90％，而在紫外线指数为零时仍然达到了85％的水平。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41893-023-01159-9

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