Energy Technology:双功能太阳光净水组件:污染物降解及海水淡化

在寒冷的冬天,可以躺下来沐浴阳光,享受阳光带来的温暖绝对是件美事。这是日常生活中最常见的太阳能利用方式,但是太阳光的用途远不止此。太阳能具有资源丰富,无污染且可再生等特点,因此被广泛应用于清洁能源开发、环境污染治理等领域。由于人类活动以及工业污染,大量含有有机污染物、重金属污染物的废水被排入河流中,造成水体污染。光催化剂可利用太阳光,氧化分解水体中的有机污染物、还原重金属污染物,因此近年来该技术受到广泛青睐。然而,光催化剂中起主要催化作用的电子-空穴对的产生需要特定波段的光照,因而通常仅有不到10%的太阳光可被用于光催化降解污染物。近日阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)王鹏教授课题组针对这一问题,将传统光催化降解污染物技术与光热海水淡化技术结合,发展了一种可同时进行海水除盐以及混合污染物降解光净化水系统,可将太阳能利用率提升至70%以上。

碳化硅(SiC),又称莫桑钻,发现自太空陨石。目前人工合成的SiC具有价格低、硬度高、耐腐蚀、耐高温等优点,引起了研究者们广泛的关注和研究。在王教授课题组之前的研究中,SiC已经被证明具有良好的光热水蒸发性能可以用于污水、海水蒸发回用。同时,SiC作为P-型半导体,也具有一定的光催化性能。然而,由于光催化过程中电子-空穴对的复合以及太阳光利用率较低等缺点,严重限制了SiC材料的光催化效率。为了解决这一问题,该团队首先在SiC上负载少量具有很强光热性能的碳纳米管(CNT),随后再引入常见的n-型半导体—TiO2/Au纳米颗粒,构筑了三维纳米SiC-CNT-TiO2/Au复合材料。在该复合材料中,CNT和TiO2/Au纳米颗粒扮演者同等重要但不同的角色。CNT不仅具有良好的光热转化性能,同时作为良好的电子导体被广泛研究应用于电子传输材料。通过光致发光荧光光谱以及加入不同捕获剂的光催化对照试验证明,SiC与TiO2/Au纳米颗粒之间不是简单的p-n异质结,而是通过CNT电子传输层形成了Z型结构。该结构可以有效地抑制光生电子-空穴的复合,并且保留TiO2/Au产生的光生空穴与SiC产生的光生电子的氧化还原性能,大大提高了其光催化降解污染物的性能。模拟标准太阳光下处理混合污染水体和光热水蒸发结果表明:(1)有机污染物罗丹明B一小时的降解效率高达98.5%;(2)重金属污染物 Cr(VI)一小时还原效率达90.6%(3)水蒸气生成速率高达1.14 kg/m2 h,光热效率高达72%。 该工作中构筑的三维双功能碳化硅材料,既可以利用短波段太阳光来光催化降解混合污染物,也可以利用长波段太阳光来光热海水淡化,大大提高了传统光催化剂太阳能利用效率,有望为水资源受损地区提供绿色、可持续并且低成本的净水技术。相关成果在线发表在Energy Technology(DOI:10.1002/ente.202000456)上。