香港科技大学《AFM》：水凝胶基光热-光催化膜蒸馏，淡水与氢能高效联产的新突破

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-24 08:04

正文

全球人口增长和气候变化加剧了水-能源-环境之间的矛盾，开发可持续的淡水和清洁能源生产方法迫在眉睫。传统海水淡化工艺（如反渗透能耗约3-5千瓦时/立方米淡水、多级闪蒸约10-15千瓦时/立方米淡水）需大量能源，而常规发电（如火电每产生1兆瓦时电量约消耗20-50立方米淡水冷却）消耗大量淡水，二者相互制约，对水和能源资源的依赖形成复杂依存关系。光热膜蒸馏（PMD）利用太阳能通过光热膜将水蒸发来生产淡水，极大的提升了能量利用效率并降低了能量消耗，但太阳能光谱中的紫外线部分未被充分利用。将光催化剂与光热系统结合形成的光热-光催化（PTC）系统，可实现更高的太阳能利用效率，并具备多种附加功能。其中，将光热过程将太阳能驱动的海水淡化和与光催化水分解相结合，有望成为生产淡水和清洁氢能的有前景的途径。

日前，香港科技大学的Alicia Kyoungjin AN团队与其合作者，创造性的开发了一种水凝胶基光热-光催化膜，并将其应用于真空膜蒸馏（VMD）构建PTC-VMD 系统，实现淡水和氢气的一站式生产。通过集成 MXene 和原位生成CdS的水凝胶膜（CdS/MX-HM），实现了在 1 个太阳辐照下，产水通量达1.63 kg m^-2h^-1 、产氢速率达3099 μmol m^-2h^-1，且长期运行稳定，为解决水-能源-环境挑战提供了可持续方案。相关工作以“Hydrogel-Based Photothermal-Catalytic Membrane for Efficient Cogeneration of Freshwater and Hydrogen in Membrane Distillation System”发表在《AFM》。

CdS/MX-HM和PTC - VMD系统概述

研究设计了一种双层 Janus 膜结构，上层为亲水性水凝胶，下层为疏水性聚四氟乙烯（PTFE）微孔膜。水凝胶层由聚乙烯醇（PVA）和壳聚糖（CS）构成，其发挥着类似稳固载体的作用，为负载其中的 MXene 纳米片和 CdS 颗粒这两种功能性材料，提供了极为强大且稳定的支撑与固定作用。在该体系中，PVA 和 CS 凭借独特的化学性质相互协作，通过氢键和分子间作用力等方式，紧紧地结合 MXene 纳米片和 CdS 颗粒，使其稳定存在于水凝胶层中，有效避免移动或脱落，进而保障整个体系的稳定性和功能性。PTFE 膜为水凝胶层提供机械支撑，并促进气体传输。PTC-VMD系统基于传统膜蒸馏配置进行改进，利用负压将产生的气体从进料侧吸引到渗透侧，实现气、液相产物的分离与收集。

图 1. 水 - 氢联产的 PTC - VMD 系统概述。a) 基于水凝胶的 PTC 膜以及水和氢气联产的示意图。b) PTC - VMD 系统的结构以及各组件层的功能。c) 涉及的主要机制：1) 光热自热和 2) 光催化水分解。d) 制备的 CdS/MX - HM 的图像。e) 实验室规模 PTC - VMD 系统的示意图。

CdS/MX-HM的制备、表征及性能

通过将 MXene纳米片、与PVA/CS溶液混合，经过涂覆、冷冻-解冻、原位生成 CdS 和冷冻干燥等步骤制备了 CdS/MX-HM。SEM图像显示水凝胶层具有微米级孔隙，有利于传质和光催化反应。该膜具有高亲水性和出色的吸水能力，水凝胶层与PTFE膜的结合形成了独特的“Janus”结构。此外，PVA与CS构成的超分子交联网络提高了水凝胶膜的机械强度。

图 2. CdS/MX - HM 的制备与表征。a) CdS/MX-HM的制备过程。b) CdS/MX-HM表面和横截面的SEM图。c) CdS-HM（横截面）的EDS图像。d) 水接触角。e) 不同层厚度的 CdS/MX- M的水溶胀特性。f) 不同层厚度的 CdS/MX-HM的拉伸强度和 g) 应变。

进一步研究了CdS/MX-HM的光热-光催化性能。UV-vis光谱显示，基于 MXene 的膜在整个太阳光谱范围内具有宽带吸收能力，CdS 的加入实现了全光谱利用，且该膜反射率低。通过 DFT 计算可知，MXene 增强了复合材料的光催化性能，降低了带隙能量，促进了电荷分离。实验结果表明，CdS/MX-HM在光热性能、水-氢联产性能方面表现优异，在1个太阳辐照下，水通量为1.63 kg m^-2h^-1 、产氢速率达3099 μmol m^-2h^-1，。室外测试也验证了其实际应用潜力。

图 3. 光热脱盐和光催化产氢性能。a) HMs 的紫外-可见吸收光谱。b) HMs 的紫外-可见反射光谱。c) 从 Tauc 图获得的HMs的禁带宽度。d) 在空气中 1 个太阳辐照下，通过红外相机获得的 HMs 的表面温度图像。e) 表面温度随时间的变化曲线。f) HMs的水通量和 g) 产氢速率。h) CdS/MX-HM的户外PTC性能。

CdS/MX-HM的传质机理与稳定性

DFT 计算表明，在CdS/MXene复合材料中，电子从CdS转移到MXene，MXene表面更易吸附氢原子，从而促进氢气生成。在不同条件下的测试显示，CdS/MX-HM的脱盐率高达 99.9%，在多种空穴吸收剂中， Na₂S/Na₂SO₃表现最佳。该膜在长期运行中表现出良好的稳定性，经过13个循环（102 小时），水通量和产氢速率保持稳定，脱盐率保持在 99.9%。

图 4. DFT 计算和不同工作条件下的 PTC 性能。a) CdS/MXene复合材料的电荷密度分布图。b) H原子吸附的吉布斯自由能及其相应的几何构型。c) CdS/MX-HM 在不同盐（NaCl）浓度下的水通量和脱盐率。d，e) 使用不同进料溶液时 CdS/MX-HM 的光催化产氢性能。f) 不同太阳辐照强度下的水通量和产氢速率。g) CdS/MX-HM的长期稳定性。

研究者进一步揭示了CdS/MX-HM中水凝胶结构的关键特征。从结构上看，PVA/CS 交联链形成 3D 网络结构，遇水膨胀，其中的水分子分为自由水、中间水和结合水。在传质机理方面，水分子从进料侧经自由水区域通道扩散到水凝胶-膜界面，CdS/MXene 产生的氢分子扩散至自由水区域后被带至膜表面，在真空作用下，二者通过 PTFE 层微孔到达渗透侧。与其他 PTC 装置/材料相比，该膜集成系统水通量和产氢量高、太阳能转换效率高，水凝胶层薄且坚固，具备结构优势，可连续运行，适合大规模实际应用。

图 5. a) 水凝胶超分子网络的分子结构及其溶胀行为的示意图。b) CdS/MX-HM中的水和氢气传质机制。c) CdS/MX-HM与最近报道的 PTC 装置/材料的综合比较。

小结与展望

研究中通过构建新型水凝胶基膜材料CdS/MX-HM，展示了一种解决水资源短缺和可持续能源生产问题的新途径。该创新系统利用光热和光催化过程的协同效应，可有效利用太阳能进行海水淡化和绿色制氢。水凝胶层在增强膜的机械强度、提供光热应用界面、维持稳定水传输和保护活性材料等方面发挥了关键作用。长期和户外测试验证了该系统的稳健性能和实际可行性，为开发高性能PTC系统提供了新的见解。为进一步提升系统效率，未来研究可聚焦于寻找更有效的方法来增强氢气生产效率，减少氯化物离子等对光催化反应的负面影响。还可进一步优化膜结构和材料组成，探索更多高性能的光热和光催化材料，提升系统整体性能。此外，加强对实际应用场景的研究，提高该技术在复杂环境下的适应性和稳定性，推进其大规模工业化应用也是未来重要的研究方向。

来源：高分子科学前沿

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