深圳大學張晗教授團隊Solar RRL綜述：基于新興的二維材料的太陽能水凈化技術—-現狀與挑戰

【引言】

水資源短缺和能源危機是本世紀全球面臨的兩大挑戰。解決水危機應該以可持續能源為基礎。太陽能凈水技術是一種高效、綠色的凈水技術，通過光熱蒸發產水、光誘導抗菌處理和光催化降解有機污染物，利用豐富、清潔的太陽能來應對水資源的挑戰。二維納米材料具有比表面積大、吸收光譜寬、吸收能力強、光熱和光催化轉化效率高等優點，在這三種凈水方法中引起了廣泛的關注。本文綜述了二維納米材料在光熱蒸發、光誘導抗菌、光催化等方面的研究進展，提出了提高不同二維納米材料的光吸收和光轉換效率的各種策略，并進一步討論了這些二維納米材料在實際水凈化中的挑戰和前景。而且本綜述著重介紹了基于新興二維材料的綠色能源驅動水凈化方法。

【成果簡介】

近期，深圳大學張晗教授、深圳技術大學胡俊青教授（共同通訊）在Solar RRL 上發表了一篇題為“Solar-inspired Water Purification Based on Emerging Two-dimensional Materials: Status and Challenges”的綜述文章。本文回顧了石墨烯納米材料之外基于二維納米材料的水凈化方法在的最新發展，包括光熱蒸發、抗菌和光催化降解。討論了提高光吸收和效率的各種策略，介紹了二維材料在實際應用中面臨的挑戰和前景。本文綜述了基于二維納米材料的水凈化技術的研究進展，指出了這些獨特的二維材料在太陽光轉換中的優勢，并為今后的系統設計提供了指導。

【圖文導讀】

圖1?用于太陽能水凈化策略的各種二維材料

圖2 光熱機制

（a）二維金屬材料的等離子熱轉換機理；

（b）二維半導體材料的非輻射弛豫。

圖3?實驗裝置

（a1）基于激光照射下的液滴確定光熱轉換效率的實驗裝置；

（a2）液滴的熱平衡。

（b）Ti₃C₂膜水蒸發裝置原理圖。

圖4 TMDs 在光熱蒸發領域的應用

（a）SWCNT-MoS₂系統的制造工藝；

（b1）制備的MoS₂棉布膜的照片和（b2）SEM圖像；

（c1）具有相變的化學剝離MoS₂。（c2）和c3）MoS₂/細菌納米纖維素復合氣凝膠；

（d） 氧空位增加時WOx溶液的照片。

圖5 碲烯的應用

（a） Te基吸收體與太陽光譜對應的吸收光譜；

（b） 不同尺寸Te納米粒子的類等離子體散射和全介質散射。

圖6 2D層狀合金材料的應用

（a）借助于合金材料的IB態，光誘導電子轉移和衰變的示意圖；

（b） 60天穩定的水蒸發效率。

圖7?防鹽沉積的自清洗疏水MXene膜

（a） Ti3C₂-MXene的防鹽沉積自清潔條件；

（b）海水蒸發量隨時間的變化；

（c） 不同粒徑Ti3C₂ MXene不同的親水性；

（d） MXene膜的長期脫鹽試驗。

圖8?活性氧的形成過程

圖9 TMDs光致抗菌性能

（a） 基于FLV-MoS₂的光催化活性氧生成滅活細菌的原理圖；

（b） Cu- MoS₂、Au- MoS₂和FLV- MoS₂的消毒性能。

圖10 MXenes 水凈化抗菌劑

（a） 抗菌活性示意圖；

（b） Ti₃C₂Tx的濃度依賴性抗菌活性（A-F:0、10、20、50、100、200μg/mL）。（c） 大腸桿菌和枯草桿菌的細胞活力。

圖11 磷烯的抗菌性

（a）磷烯結構；

（b） 不同溶劑剝離的磷烯照片；

（c） 磷烯結構俯視圖；

（d） 磷烯的分散性；

（e） 大腸桿菌（上面板）和金黃色葡萄球菌（下面板）在各種材料上的菌落。（f） 不同材料的殺菌率；

（g） 含不同濃度磷烯的大腸桿菌（上圖）和金黃色葡萄球菌（下圖）的菌落；（h）不同磷烯濃度下的細菌殺滅率。

圖12 光催化機理

圖13 MoS₂的光催化應用

（a） MoS₂薄膜光催化降解原理圖；

（b） MoS₂薄膜的圖像；

（c） 二維垂直結構MoS₂的HRTEM圖像；

（d）MoS₂原子結構圖；

（e） pH為5.8時MC-LR的光催化降解；

（f） 不同材料的吸附比較。

圖14 其它TMDs的光催化應用

（a）在紫外到近紅外光下，光催化降解MO的性能；

（b）WS2作為催化劑在近紅外光照射下對于RhB的催化降解能力。

圖15 TMOs的光催化反應

（a-c）MoO₃的HR-TEM圖像；

（d，e）分別是MB和RhB的光降解；

（f）可見光下染料的光降解示意圖。

圖16 MXenes的光催化應

（a）在不同水熱條件下制備的TiO₂ / Ti₃C₂的光催化降解速率常數（k）； （b）TiO₂ / Ti₃C₂上電荷轉移過程的示意圖；

（c）球磨Ti₂CT_x以形成TiO₂ @ C的示意圖；

（d）TiO₂ / Ti₃C₂ / CuO復合材料的光催化行為示意圖；

（e）MO光降解時間圖

圖17 磷烯的光催化反應

（a）可見光驅動的RhB的光催化降解；

（b）在可見光照射下，RhB在BP-RP異質結構上的光催化降解；

（c）BP-RP異質結構（灰色）和純紅磷（紅色）的紫外可見吸收光譜;

（d）光催化電荷分離和轉移的機制。

圖18 g-C₃N₄的光催化應

（a）g-C₃N₄ / Ag / MoS₂的結構示意圖；

（b）RhB的光催化降解；

（c）g-C₃N₄ / Ag / MoS₂光催化劑中光生電荷載體的轉移機理。

【小結】

本文總結了借助清潔太陽能源的三種不同的水凈化策略：光熱蒸發產水、光誘導抗菌處理和光催化降解有機污染物。可以發現，通過采用2D材料的不同特性可以實現不同的水處理策略，例如具有光熱特性的用于水脫鹽，具有光動力功能的用于滅菌以及具有光催化降解功能的用于有機物的降解。一些2D材料同時具有這些不同的屬性，因此可以使用一種2D材料可以實現協同的光熱水蒸發，光動力抗菌和光催化降解有機物，從而達到增強的水處理效果。

文獻鏈接：Solar‐Inspired Water Purification Based on Emerging 2D Materials: Status and Challenges（Solar RRL, DOI: 10.1002/solr.201900400）

張晗教授，男，1984年出生，深圳大學特聘教授、深圳市黑磷工程實驗室主任、博士生導師。美國光學學會會士、基金委“優青”、科睿唯安“高被引科學家（2018/2019）”、廣東省科技領軍人才等。長期從事低維材料光電器件相關研究，以通訊作者發表中科院一區論文超過100篇，包括Physics Reports2篇、PNAS 1篇、Science Advance 2篇、Nature Communications 6篇等；論文總被引超過26000次，H因子為85。張晗教授擔任多個SCI期刊專題主編/編委、中國激光青年編委會秘書長、全國光學青年學術論壇第二屆主席團副主席。科研成果獲得教育部自然科學二等獎、中國產學研合作創新獎、中國光學十大進展、廣東省丁穎科技獎、深圳市青年科技獎、深圳市自然科學獎等。

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本文由材料人編輯部高分子學術組水手供稿，材料牛編輯整理。