深圳大学张晗教授团队Solar RRL综述：基于新兴的二维材料的太阳能水净化技术—-现状与挑战

【引言】

水资源短缺和能源危机是本世纪全球面临的两大挑战。解决水危机应该以可持续能源为基础。太阳能净水技术是一种高效、绿色的净水技术，通过光热蒸发产水、光诱导抗菌处理和光催化降解有机污染物，利用丰富、清洁的太阳能来应对水资源的挑战。二维纳米材料具有比表面积大、吸收光谱宽、吸收能力强、光热和光催化转化效率高等优点，在这三种净水方法中引起了广泛的关注。本文综述了二维纳米材料在光热蒸发、光诱导抗菌、光催化等方面的研究进展，提出了提高不同二维纳米材料的光吸收和光转换效率的各种策略，并进一步讨论了这些二维纳米材料在实际水净化中的挑战和前景。而且本综述着重介绍了基于新兴二维材料的绿色能源驱动水净化方法。

【成果简介】

近期，深圳大学张晗教授、深圳技术大学胡俊青教授（共同通讯）在Solar RRL 上发表了一篇题为“Solar-inspired Water Purification Based on Emerging Two-dimensional Materials: Status and Challenges”的综述文章。本文回顾了石墨烯纳米材料之外基于二维纳米材料的水净化方法在的最新发展，包括光热蒸发、抗菌和光催化降解。讨论了提高光吸收和效率的各种策略，介绍了二维材料在实际应用中面临的挑战和前景。本文综述了基于二维纳米材料的水净化技术的研究进展，指出了这些独特的二维材料在太阳光转换中的优势，并为今后的系统设计提供了指导。

【图文导读】

图1 用于太阳能水净化策略的各种二维材料

图2 光热机制

（a）二维金属材料的等离子热转换机理；

（b）二维半导体材料的非辐射弛豫。

图3 实验装置

（a1）基于激光照射下的液滴确定光热转换效率的实验装置；

（a2）液滴的热平衡。

（b）Ti₃C₂膜水蒸发装置原理图。

图4 TMDs 在光热蒸发领域的应用

（a）SWCNT-MoS₂系统的制造工艺；

（b1）制备的MoS₂棉布膜的照片和（b2）SEM图像；

（c1）具有相变的化学剥离MoS₂。（c2）和c3）MoS₂/细菌纳米纤维素复合气凝胶；

（d） 氧空位增加时WOx溶液的照片。

图5 碲烯的应用

（a） Te基吸收体与太阳光谱对应的吸收光谱；

（b） 不同尺寸Te纳米粒子的类等离子体散射和全介质散射。

图6 2D层状合金材料的应用

（a）借助于合金材料的IB态，光诱导电子转移和衰变的示意图；

（b） 60天稳定的水蒸发效率。

图7 防盐沉积的自清洗疏水MXene膜

（a） Ti3C₂-MXene的防盐沉积自清洁条件；

（b）海水蒸发量随时间的变化；

（c） 不同粒径Ti3C₂ MXene不同的亲水性；

（d） MXene膜的长期脱盐试验。

图8 活性氧的形成过程

图9 TMDs光致抗菌性能

（a） 基于FLV-MoS₂的光催化活性氧生成灭活细菌的原理图；

（b） Cu- MoS₂、Au- MoS₂和FLV- MoS₂的消毒性能。

图10 MXenes 水净化抗菌剂

（a） 抗菌活性示意图；

（b） Ti₃C₂Tx的浓度依赖性抗菌活性（A-F:0、10、20、50、100、200μg/mL）。（c） 大肠杆菌和枯草杆菌的细胞活力。

图11 磷烯的抗菌性

（a）磷烯结构；

（b） 不同溶剂剥离的磷烯照片；

（c） 磷烯结构俯视图；

（d） 磷烯的分散性；

（e） 大肠杆菌（上面板）和金黄色葡萄球菌（下面板）在各种材料上的菌落。（f） 不同材料的杀菌率；

（g） 含不同浓度磷烯的大肠杆菌（上图）和金黄色葡萄球菌（下图）的菌落；（h）不同磷烯浓度下的细菌杀灭率。

图12 光催化机理

图13 MoS₂的光催化应用

（a） MoS₂薄膜光催化降解原理图；

（b） MoS₂薄膜的图像；

（c） 二维垂直结构MoS₂的HRTEM图像；

（d）MoS₂原子结构图；

（e） pH为5.8时MC-LR的光催化降解；

（f） 不同材料的吸附比较。

图14 其它TMDs的光催化应用

（a）在紫外到近红外光下，光催化降解MO的性能；

（b）WS2作为催化剂在近红外光照射下对于RhB的催化降解能力。

图15 TMOs的光催化反应

（a-c）MoO₃的HR-TEM图像；

（d，e）分别是MB和RhB的光降解；

（f）可见光下染料的光降解示意图。

图16 MXenes的光催化应

（a）在不同水热条件下制备的TiO₂ / Ti₃C₂的光催化降解速率常数（k）； （b）TiO₂ / Ti₃C₂上电荷转移过程的示意图；

（c）球磨Ti₂CT_x以形成TiO₂ @ C的示意图；

（d）TiO₂ / Ti₃C₂ / CuO复合材料的光催化行为示意图；

（e）MO光降解时间图

图17 磷烯的光催化反应

（a）可见光驱动的RhB的光催化降解；

（b）在可见光照射下，RhB在BP-RP异质结构上的光催化降解；

（c）BP-RP异质结构（灰色）和纯红磷（红色）的紫外可见吸收光谱;

（d）光催化电荷分离和转移的机制。

图18 g-C₃N₄的光催化应

（a）g-C₃N₄ / Ag / MoS₂的结构示意图；

（b）RhB的光催化降解；

（c）g-C₃N₄ / Ag / MoS₂光催化剂中光生电荷载体的转移机理。

【小结】

本文总结了借助清洁太阳能源的三种不同的水净化策略：光热蒸发产水、光诱导抗菌处理和光催化降解有机污染物。可以发现，通过采用2D材料的不同特性可以实现不同的水处理策略，例如具有光热特性的用于水脱盐，具有光动力功能的用于灭菌以及具有光催化降解功能的用于有机物的降解。一些2D材料同时具有这些不同的属性，因此可以使用一种2D材料可以实现协同的光热水蒸发，光动力抗菌和光催化降解有机物，从而达到增强的水处理效果。

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

张晗教授，男，1984年出生，深圳大学特聘教授、深圳市黑磷工程实验室主任、博士生导师。美国光学学会会士、基金委“优青”、科睿唯安“高被引科学家（2018/2019）”、广东省科技领军人才等。长期从事低维材料光电器件相关研究，以通讯作者发表中科院一区论文超过100篇，包括Physics Reports2篇、PNAS 1篇、Science Advance 2篇、Nature Communications 6篇等；论文总被引超过26000次，H因子为85。张晗教授担任多个SCI期刊专题主编/编委、中国激光青年编委会秘书长、全国光学青年学术论坛第二届主席团副主席。科研成果获得教育部自然科学二等奖、中国产学研合作创新奖、中国光学十大进展、广东省丁颖科技奖、深圳市青年科技奖、深圳市自然科学奖等。

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本文由材料人编辑部高分子学术组水手供稿，材料牛编辑整理。