北京工业大学任家炜团队近期于Desalination(2024,592,118159)发表题目为"Applications
of solar-driven interfacial evaporation-coupled photocatalysis in water
treatment: A mini review"的文章。该文章第一作者为博士生田双超，通讯作者为北京工业大学建筑工程学院任家炜教授。
本文综述了太阳能驱动界面蒸发（SDIE）和光催化耦合过程在水处理中的机理和应用。SDIE耦合光催化不仅能有效解决全球水资源短缺问题，为人类提供清洁淡水，还能推动可再生能源的发展，促进能源的可持续利用。在海水淡化方面，耦合工艺收集的冷凝水中典型金属离子的浓度可降至小于 1 mg/L，符合饮用水质量标准。此外，耦合工艺对挥发性有机化合物 (VOC)、非挥发性有机化合物 (NVOC) 和细菌的降解效率超过 90%，从而防止了光热界面的表面污染，并通过防止非挥发性有机化合物进入蒸馏水来保护水质。在燃料生产方面，与单一光催化相比，耦合工艺可有效提高氢气、一氧化碳和甲烷等燃料的产量，将太阳能转化为可用或可储存的能源资源。总之，在耦合工艺中，SDIE 和光催化的作用不是独立的，而是相辅相成的，能有效提高水处理质量和能源利用率。耦合工艺在水处理方面显示出巨大的潜力。但值得注意的是，耦合工艺仍处于学术阶段，缺乏工业应用基础。在未来的发展中，有必要重点开发新的耦合材料，使其具有更强的光吸收、光热转换和光催化活性。此外，将耦合工艺与太阳能光伏技术相结合，可以优化太阳能的有效利用。然而，耦合工艺也存在一些需要克服的缺点。例如，如何去除蒸发界面的无机盐污染、不同光催化剂和光热材料应采用哪种耦合形式、光催化过程中加入空穴清除剂是否会影响 SDIE 等问题都有待解决。本文旨在激发对耦合工艺的进一步探索，以解决其目前的局限性，并促进其早日实现工业化。图1. (a) 界面蒸发示意图；(b) 光催化剂的光催化过程；(c) 太阳能驱动的界面蒸发与光催化耦合。图2. 不同的耦合方法。(a) D 型耦合方法，用 MoS2纳米花装饰三维松果，设计出一种新型太阳能净水装置，用于产生淡水。(b) S 型耦合方法：将光催化材料 CdS 和光热成分 MoSe2同时分别嵌入多孔木质素化木材中。图3. 光热转换机制（a-d）和光催化机制（e-j）。(a) 电子-空穴产生/弛豫；(b) 质子加热；(c) 分子热振动；(d) 微/纳米结构材料的多重相互作用；(e) 有机污染物的光降解；(f 和 g) 重金属离子的光降解；(h) 可光降解微生物（细菌、病毒、真菌等）；(i) 光催化还原硝酸盐；(j) 光催化还原硝酸盐的反应机理和主要进展。 (j) 光催化硝酸盐还原生成氮/亚硝酸盐（红色）、氨（紫色）和氮氧化物（灰色）的反应机理和主要过程。图5. 耦合工艺的净水效果。(a) 对金属离子的去除效果。(b) 使用 ZSAS-3 处理前后重金属离子浓度的变化。(c) 对非挥发性有机化合物的去除效果。(d) 对挥发性有机化合物的去除效果。(e) 对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性大肠杆菌的抑制作用。(f) 蒸发前后水的 pH 值。(g) 模拟海水中 MT-Ag2S/CAM 界面蒸发器表面的盐溶解过程。图6. 耦合工艺的制氢过程。(a) 光热-光催化制氢示意图。(b) 纤维素周围水分子类型示意图。(c) 木基水凝胶的制备和制氢过程。(d) 光热-光催化水蒸气产生过程和水蒸气催化为氢气和氧气的示意图。(e) 光催化 PA66/PPy/Cu2O 蒸发器的光热增强催化二氧化碳还原示意图。图7. 耦合过程的室外测试。(a) 户外蒸发器在自然阳光下的照片。(b) 记录的蒸发率和日照强度。(c) 原水和通过光催化和不通过光催化蒸发收集的水的 TDS 和 TOC 浓度以及 3D-EEM 光谱 (d)。(e、f）装置在 8:00 和 19:00 时的照片。 g）一天中不同时间的产水率和水量。(h) 太阳能驱动界面蒸发和还原六价铬的室外一体化装置示意图。(i) 产水率和累积淡水产量的变化。(j) 六价铬的光-芬顿还原效率；插图显示不同照射时间下的六价铬溶液。(k) 室外实验中 Cr (Vl) 浓度的紫外可见吸收光谱图。
原文信息：
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.118159
田双超 博士生
工作单位：北京工业大学建筑工程学院
邮箱地址：[email protected]
任家炜 教授
任家炜, 北京工业大学校聘教授，博导，北京市高层次人才，北工大高层次人才。主要从事的研究领域有水处理与资源化，海水淡化等相关科研工作，具体研究方向包括太阳能界面蒸发与结晶，饮用水处理与膜工艺，尿液源分离与资源化，地下水重金属与污染物原位修复等。先后在Water
Research，Advanced
Science，Chemical
Engineering Journal等国际行业顶刊发表SCI论文40余篇，出版国际专著章节2项，国家发明专利授权2项，团体标准1项。担任国际期刊脱盐《Desalination》青年编委。https://yanzhao.bjut.edu.cn/yanzhao_old/info/1126/6148.htm
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