成果简介
水资源是维持人类生命、生态稳定和社会进步的重要基础。然而，不断升级的用水量和污染加剧了人们对淡水短缺的担忧。此外，分配中的严重不平衡会进一步显著影响有效可用性。鉴于这些挑战，海水淡化和盐水淡化，以及净化受污染的废水已成为应对水资源短缺的重要策略。在各种淡水提取技术中，太阳能驱动的蒸发以其广阔的可持续潜力和未来前景而著称。材料和结构系统的设计对于实现太阳能转换（光热/光化学）过程和污染物吸附之间的协同作用至关重要。然而，单一材料同时满足这两个标准是一项挑战，需要光热和光化学成分的集成耦合。为了实现连续和快速的蒸发，蒸发器还必须采用包括连续亲水通道的设计，以确保快速输水。值得注意的是，木材衍生的碳可以满足对光热成分的要求，因为它们具有广谱光吸收特性和原始木材固有的定向通道。这些特性使其在太阳能驱动的水蒸发中得到广泛应用。此外，木材衍生碳的多孔结构还提供了许多吸附位点，有助于去除有机污染物。然而，木材衍生的碳材料几乎没有光化学特性。因此，为了实现三功能淡水收集器，加入额外的光化学成分成为必要。羟溴化铋 （BiOBr） 和配合物是合适的候选物，由于其独特的层状结构、合适的带隙宽度、化学和光学稳定性以及低毒性，已广泛用于罗丹明 B （RhB） 等有机污染物的光降解。尽管如此，直接合并这两种化合物会带来特定的障碍。一个值得关注的挑战是在木材衍生的碳和 BiOBr 之间的复合界面上缺乏合适的连接点，这归因于前者的光滑内表面。此外，将 BiOBr 涂覆在木材衍生的碳表面上可能会堵塞孔隙通道，这会减少比表面积，进而降低吸附污染物的能力。因此，引入多功能界面层以将 BiOBr 与木材衍生的碳无缝连接被认为是必不可少的。
相关成果以“Efficient solar-driven freshwater generation through an inner hierarchical porous metal–carbon layer bridging synergistic photothermal evaporation and adsorption photodegradation”为题发表在《Materials Horizons》（JCR一区，IF=12.2）上。
研究内容
研究人员在木源碳 （ZCW） 表面采用分子筛咪唑 （ZIF-67） 衍生的 N 掺杂多孔碳，为随后的 BiOBr 沉积 （BiOBr@ZCW） 提供最佳活性位点，以集成太阳能光热/光催化转化和吸附三个功能。ZIF-67 衍生的中间层有效地解决了木碳和 BiOBr 之间的界面兼容性问题。具体来说，它利用 N 掺杂位点的锚定效应来均质化 BiOBr，并利用其分层多孔结构来扩大传质通道并提高污染物吸附能力。此外，嵌入 ZIF-67 衍生层中的金属钴颗粒可促进光热转化，以及光生电荷的分离和迁移。因此，BiOBr@ZCW在一个太阳光强下，表现出 1.67 kg m-2 h-1 的蒸发速率，蒸发效率为 85%。此外，BiOBr@ZCW 表现出卓越的吸附降解能力，可在短短 20 分钟内降解 98.43% 的 RhB 溶液，并在多个循环中保持稳定性。总体而言，研究人员的三功能收集器通过整合吸附和太阳能驱动的光热/光化学过程，为从废水和天然海水中收集淡水提供了一种有前途的解决方案。
研究数据
图1 太阳能驱动的光热蒸发和吸附-BiOBr@ZCW光降解的示意图。
图2 材料的表征。
图 3 （a） XRD 光谱和 （b） 不同材料的拉曼光谱。（c） Bi 4f、（d） Br 3d、（e） O 1s、（f） C 1s、（g） N 1s 和 （h） Co 2p 的高分辨率 XPS 光谱。（i）吸附-解吸等温线和插图：CW、ZCW 和 BiOBr@ZCW 的纳米孔分布曲线。
图 4 （a） 紫外-可见-红外光吸收光谱。（b） （i） BiOBr、（ii） ZCW、（iii） BiOBr@CW 和 （iv） BiOBr@ZCW 和 （c） 在 1 个阳光照射下干燥时表面温度随时间变化的红外照片。BiOBr 的 （d） Kubelka-Munk 图和 （e） Mott-Schottky 图。（f） BiOBr 的能带结构示意图。（g） 电化学阻抗谱和 （h） BiOBr 和 BiOBr@ZCW 的瞬态光电流响应。（i） ZCW 和 BiOBr@ZCW 上的水接触角。
图 5（a） 在 1 个太阳光照下水的表面温度随时间的变化。（b） 水的质量损失，（c） 太阳蒸发的蒸发速率和相应的能量效率。（d） 不同太阳强度下BiOBr@ZCW的质量损失。（e） 用于太阳能汽化的BiOBr@ZCW的稳定性和可重复使用性。
图 6 （a） 使用 BiOBr@ZCW 的可见光驱动光降解 RhB 的紫外-可见吸收光谱。（b） BiOBr、ZCW 和 BiOBr@ZCW 的光催化降解曲线和 （c） 初级动力学曲线。（d） 不同浓度 RhB 下 BiOBr@ZCW 的降解效率曲线。（e） BiOBr@ZCW 在光化学降解中的稳定性和可重复使用性。通过添加 （f） 不同的 BiOBr@ZCW 牺牲剂对 RhB 的光催化降解曲线。（g） DMPO- ̇O 的电子顺磁共振 （EPR） 光谱2−（h） DMPO- ̇OH 在黑暗和可见光照射下的BiOBr@ZCW。
图 7 （a） 室外太阳能界面蒸发装置。（b）–（d） 太阳静止器槽中凝结水的照片。（e） 11：00 至 13：00 的大气温度、太阳强度、水分蒸发速率和BiOBr@ZCW表面温度的记录。（f） 冷凝水中 RhB 的紫外-可见吸收光谱和 （g） 脱盐后收集水的离子浓度分析。
原文链接
https://doi.org/10.1039/D4MH00798K
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