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北化工于中振教授：牵牛花启发干式烟囱仿生净水装置，用于高效的太阳能热脱盐和有机污染物降解

来源：花匠小妙招时间：2025-12-28 05:39

通讯作者：于中振教授

通讯单位：北京化工大学材料学院

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c20454

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虽然太阳能蒸汽发电在太阳光照射下能有效蒸发水和海水，但在净化含有有机污染物的废水和海水方面效果不佳。在此，设计了一种具有干烟囱（雌蕊）的牵牛花形净水装置，用于同时进行水的太阳能热蒸发和其中有机污染物的催化降解，该装置是通过在亲水性和多孔性竹织物基材上装饰Au/CoFe2O4/碳纳米管功能部件而制成的。Au和CoFe2O4能够形成莫特-肖特基异质结构，以产生稳定的内置电场并促进电子-空穴对的分离，从而促进过氧化单硫酸钾的活化以产生活性氧，并在1个太阳照射下实现0.222 min-1的高催化降解速率常数。至关重要的是，仿生牵牛花结构的烟囱有利于干燥空气的持续供应，并产生气流循环，从而通过促进饱和水蒸气从蒸发器中逸出来降低湿度并提高蒸发率，在1次阳光照射下实现3.21 kg m–2 h–1的高水蒸发率。通过废水的太阳能热蒸发和其中有机污染物的催化降解，实现了高达28.21 kg m-2 h-1的总净水率。催化降解和太阳能蒸汽发电的结合，为净化含有有机污染物的废水和海水提供了一种有效的方案。。

图文解析

图1. （a） ACCBF合成示意图。（b）牵牛花形状的太阳能驱动蒸发器的结构。（c，d）BF和（e，f）ACCBF的SEM图像。（g–j）ACCBF的元素映射图像。

图2. （a） BF和ACCBF的XRD图谱；（b） CoFe2O4、CCBF和ACCBF的FTIR光谱；（c） BF、CCBF和ACCBF的XPS光谱；（d） ACCBF的Au 4f XPS光谱；（e） CoFe2O4的VB XPS光谱；（f）CoFe2O4和（g）的紫外-可见吸收光谱Au@CoFe2O4插图显示了转换后的Kubelka-Munk函数与hv的关系图。肖特基接触之前和之后的金属Au和n型CoFe2O4（h）和（i）的能带图。

图3. （a）（b）不同高度的仿生牵牛花状3D蒸发器在1次太阳照射下的水量变化和水分蒸发率；（c）（d）在1次太阳照射下，不同雌蕊的仿生牵牛花状3D蒸发器的水量变化和水分蒸发率；（e）仿生牵牛花状3D蒸发器和（f）内部气流的相应示意图；（g）在1个太阳照射下，具有不同雌蕊的仿生牵牛花状3D蒸发器的红外图像。

图4. （a）用于收集蒸发水的装置。（b）在水净化过程中浸出的铁和钴离子浓度。（c）太阳能驱动海水淡化前后海水初级离子的浓度。（d） ACCBF/PMS组合对海水中RhB、MB、MO、BPA和OFX（20ppm）的去除曲线。（e）仿生牵牛花蒸发器同时催化降解和太阳能热水蒸发海水的循环曲线。

总结与展望

为了解决淡水短缺和水污染问题，通过用Au/CoFe2O4/CNT功能组件装饰亲水性和多孔性竹织物，开发了一种仿生牵牛花设计的带高度可调干活塞的水蒸发器，用于同时进行海水的太阳能热蒸发和有机污染物的催化降解。Au/CoFe2O4/CNT装饰的竹纤维表现出很高的太阳光吸收率，这主要是由于CNT和Au的太阳热效应。在CoFe2O4和Au的异质界面上形成Mott–Schottky势垒促进了PMS的活化，从而具有优异的催化降解性能。此外，具有高度可调干活塞的仿生牵牛花状3D蒸发器有效地提高了太阳能的吸收和能源效率，并可以通过烟囱效应产生有效的空气对流。在1个太阳照射下，高度为3.5厘米的ACCBF蒸发器的水蒸发率最高，为3.21千克米-2小时-1。更重要的是，ACCBF和PMS的结合有效地催化了含甲基橙废水的降解，降解速率常数为0.222 min-1，对不同pH值和盐度具有出色的适应性。除了高效的太阳能热蒸发水外，ACCBF还能有效降解海水中的许多污染物，通过太阳能热水蒸发和催化降解的协同作用，实现了28.21 kg m-2 h-1的总净水率。这项工作表明，ACCBF可用于同时进行太阳能热水蒸发和污染物的催化降解，具有优异的水净化效率。

文献信息

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c20454

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