東南大學代云茜：全天的太陽能蒸發平臺，可從微塑料污染中收集清潔水

非金非土非木

2021年5月6日 14:51

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【科研摘要】

太陽能驅動的蒸發對于可持續的淡水生產且無高能耗非常有希望。到目前為止，在一臺蒸發器中既要實現高性能又要具有成本效益仍然是一個挑戰。此外，鮮有報道的策略克服了水源中出現的微塑性污染和全天蒸發不佳的障礙。最近，東南大學代云茜教授團隊通過簡單地拉伸棉花就可以容易地構建低成本，高效，生物質衍生的具有梯度垂直微通道的三維（ 3D）石墨烯/ 棉海綿。它是一種多功能的光熱平臺，具有高蒸發速率（2.49 kg m ^-2 h ^-1 ，垂直于頂面和側面），并且可以承受高達其重量8750倍的大外部應力。此外，在首次嘗試從微塑料污染源中有效蒸發水（90.6％）的過程中，通過 3D MoS ₂ /石墨烯/ 棉花通過活性氧物種攻擊和多重吸附，從蒸發水中去除了近100％的聚乙烯（PE）微纖維。

采用新的原位FTIR顯微鏡技術來準確監測PE微塑料的降解機理。在富含氧氣的水中，PE的降解效率高達19％，主要是由反應性O ₂ 引起的，并且可以在1小時內借助其他反應性物質（例如˙HOO和H ₂ O ₂ ）輕松提高到32％。此外，在有限元分析（FEA）的指導下，相變聚乙二醇（PEG）層在石墨烯/棉的外部進行了功能化。值得注意的是，它通過在黑暗中利用熱能，具有極高的全天蒸發速率（每天每平方米每小時 1.63千克，是不具有相變功能的傳統蒸發器的1.42倍）。這項工作提供了有前景的替代策略，即使在黑暗條件下，也可以從微塑性污染和可持續蒸發中低成本收集干凈的水。相關論文以題為 A biomass-derived, all-day-round solar evaporation platform for harvesting clean water from microplastic pollution 發表在《 Journal of Materials Chemistry A 》上。

【主圖導讀】

圖 1 （a）漸變RGO/棉海綿的示意性制造過程和（b）相應的光學圖像。（c）可以輕易折疊成不同形狀的柔性RGO /棉的光學圖像。RGO/棉的頂視圖SEM圖像分別顯示了拉伸前后的（d）均勻垂直通道和（e）梯度垂直微通道。（f）RGO /棉的SEM側視圖，顯示交織的微纖維具有豐富的孔隙。（g）SEM圖像顯示包裹在棉纖維上的起皺的RGO（箭頭突出）。

圖 2 （a）是RGO/棉在光照射下的紫外可見光譜和紅外圖像，顯示出優異的光吸收和光熱轉換能力。（b）在光照射下有和沒有梯度微結構的RGO/棉的模擬溫度分布。（c）RGO /棉頂面上的硅球色差顯示了中心的水濃度行為。RGO/棉在頂面中心和邊緣的水接觸角。（d）水質變化記錄了RGO/棉的蒸發性能。（e）由不同GO含量制成的RGO/棉的蒸發性能，以及（f）海綿的相應光學圖像。（g）RGO/棉在干燥和濕潤狀態下的機械穩定性。

圖 3 （a）俯視SEM圖像和梯度MoS ₂ /RGO/棉的相應元素映射。（b）側面SEM圖像顯示了交織的MoS ₂ /RGO/棉纖維。（c）被褶皺的RGO片包圍的花狀MoS ₂ 的SEM圖像（用箭頭突出顯示）。（d）錨定在起皺的RGO板上的MoS ₂ 的增強的光吸收和光熱轉化的示意圖。

圖 4 （a）MoS ₂ /RGO/棉海綿在光照射下的透光率和紅外圖像。（b）PE微塑料的質量保留，插入的方案顯示MoS ₂ /RGO/棉纖維降解了微塑料。（c）用于確定微塑料成分的原位FTIR顯微鏡技術方案。（d）降解前后聚乙烯微塑料的光學圖像和（e）相應的FTIR光譜，顯示了形狀演變并確認了微塑料的成分。

圖 5 （a）MoS ₂ 和RGO的能帶邊緣位置，以及O ₂ ，H ₂ O，H ₂ O ₂ 和氧化還原對的電勢。（b）光學圖像和方案顯示MoS ₂ /RGO/棉在水中通過光催化ROS的產生降解了微塑料。（c）DMPO-O ₂ ˙-和（d）DMPO-OH˙的ESR譜圖，顯示了MoS ₂ /RGO/棉和RGO/棉的ROS生成。（e）在不同條件下聚乙烯微塑料的質量保留率。

圖 6 （a）為PEG/RGO/棉的示意圖，具有晝夜循環使用的能力。（b）PEG/RGO棉的SEM側視圖，顯示了在RGO/棉纖維上包覆的PEG薄層。（c）DSC測試記錄了相變過程中PEG/RGO/棉的脫色和放熱，并插入了機理示意圖。（d）模擬中的微型單元的示意圖。（e，f）相變過程中PEG/RGO單元的模擬溫度變化。（g）PEG/RGO/棉在一個循環中的實驗溫度（在光照下：30min，在黑暗下：30min）。（h）在白天和夜晚的模擬中，PEG/RGO/棉的水分蒸發速率（在光照下： 30分鐘，在黑暗下：30分鐘，3個循環）。