CEJ 用于高效的太阳能脱盐的具有抗生物污垢和抗菌性能的光捕获纹理生物水凝胶

  全球变暖带来的盐碱化问题对水安全构成了严重威胁。在某些地区水危机正在不断演变成人口压力、疾病传播危机。将水安全规划纳入我们的气候应对措施将有利于我们为不确定的未来准备好。对此，使用太阳能淡化海水可以显著解决水危机问题，同时也能够大大减少化石燃料的使用。界面蒸发海水淡化技术可提高65%的蒸发效率，并已经证明了其作为水安全可持续解决方案的可行性。但仍有一些重要问题阻碍了它的广泛应用。系统产生的脱盐水可能会被微生物和代谢物污染，同时微生物和代谢物可能会引起蒸发速率的急剧下降。并且存在蒸发器和含有活细菌的海水之间的分离问题，光热蒸发器的生物降解性对于环境问题也十分重要。为了开发高效的光热蒸发器，科学家们研究设计了光捕获表面，但这些光捕获表面都不是通过改变表面纹理来制造的，而是固有性质。因此不适合大规模实施。对此，我们展示了生物水凝胶的表面变化，使用还原氧化石墨烯（rGO）和琼脂粉末制成的具有光捕获表面纹理的生物水凝胶，用于高效的太阳能蒸汽发电。使用一种低成本的简单方法在凝胶化过程中，在生物水凝胶表面制备了尺寸均匀分布的光捕获纹理。我们在所制备的生物水凝胶表面使用TaTe2量子点来确保抗菌性能。所提出的生物水凝胶具备优秀能力的蒸发性能、抗生物污染和抗菌能力，可以大规模应用于可持续的实际应用。

  本文研究设计了一种具有独特光捕获表面纹理、抗生物污垢和抗菌性能的生物水凝胶，并已被证明可用于高效的太阳能脱盐应用。所提出的生物水凝胶的块体包括来源于红藻物种的琼脂琼脂粉末、rGO和TaTe2量子点，这为该设计提供了几个独特的优势。所提出的基于生物水凝胶的太阳能脱盐系统具有一些显著特征：造成本、生物降解性、优异的宽带吸收、高寿命和改变表面纹理的能力；使用具有低热导率的EPE泡沫来将生物水凝胶和本体水分开。这有助于减少热量传递到本体水中，防止微生物直接沉积在生物水凝胶上；所提出的由悬浮纤维素滤纸制成的海水运输系统比其他运输方法提供了更多的好处；具有捕光纹理，海水的蒸发率为2.851 kg m-2h-1，是水蒸发率的13.95倍，阳光照射下蒸发效率为91.17%。TaTe2量子点对微生物DNA中硫蛋白的显著亲和力有助于它们以超过95%的速率被破坏。这项研究证明了具有光捕获纹理的生物水凝胶在提高光热效率方面的巨大潜力，以及TaTe2量子点所显示的抗生物污染和抗菌能力及低成本的制造方法允许其广泛的实际应用，并将为未来对光陷阱纹理的许多别的方面的研究铺平道路。

  图1.（a） 光捕获纹理的图形说明，展示了在离开纹理孔之前入射太阳辐照度在纹理内的反射；（b） 在TaTe2量子点修饰的生物水凝胶表面上制备光捕获纹理；（c）QDs-rGO@BH放置在EPE泡沫上，用滤纸制成输水通道，间接接触机制，用于增强太阳能蒸发实验

  图2.（a） 532nm激光源激发的TaTe2量子点、rGO和GO的拉曼光谱；（b） TaTe2量子点、rGO和GO的X射线衍射（XRD）图；（c） TaTe2溶液和TaTe2量子点溶液的紫外-可见光谱。插图是TaTe2量子点在（左）可见光和（右）紫外线照射下的照片；（d）（i-ii）的水接触角QDs-rGO@BH和（iii iv）rGO@BH在不同的时刻；（e） 没有材料涂层的生物水凝胶（BH）的紫外-可见-近红外吸收光谱，rGO@BH具有光捕获纹理，量子点经过装饰rGO@BH平淡而轻盈的质感

  图3.（a）–（b）具有陷光纹理的TaTe2 QDs-rGO@BH的扫描电子显微镜（SEM）图像；（c） TaTe2 QDsrGO@BH的截面SEM图像; （d） 显示量子点沉积的光捕获结构表面的放大SEM图像。（e） EDS元素图谱确保了rGO和TaTe2量子点的沉积。拟合了（f）Ta 4f和（g）Te 3d的XPS核心能级光谱

  图4（a）–（b）TaTe2量子点的透射电子显微镜（TEM）图像。随机选择的区域上的HRTEM图像以具有晶面间距的插图提供；（c） TaTe2量子点的选区电子衍射（SED）图案；（d） HRTEM图像显示了TaTe2结构；（e） TaTe2量子点的AFM图像，插图中提供了标记点的高度轮廓；（f） TaTe2量子点的3D–AFM图像。沿短轴和长轴的横向尺寸的统计分布

  图5.太阳蒸发质量随时间的损失（a）在一个阳光照射下，具有朴素和光线捕捉的纹理的-rGO@BH。虚线表示黑暗条件下的自发蒸发。（b）在各种太阳辐照度下具有光捕获纹理的QDs-rGO@BH太阳能蒸发性能；（c） 不同太阳辐照度下对应的蒸发率（线）和蒸发效率（条），带误差条；（d） 蒸发速率的润湿-干燥循环。每个周期对应于1个阳光照射下的1小时。打开氙气灯30分钟后，在1个太阳光照下的裸水（左侧）和表面蒸发（右侧）的热图（插图）

  图6.（a） 海水、净化水和裸水的总溶解固体（TDS）和电导率；（b） 海水、净化水和裸水的pH值和盐度；（c） 脱盐前后的离子浓度；（d） 亚甲基蓝、纯化水和蒸馏水的紫外-可见-近红外吸收光谱。条形图显示了共培养后收集的细菌悬浮液-（e）金黄色葡萄球菌和（f）大肠杆菌的光密度（OD600nm）值。营养琼脂平板的光学图像显示了–（g）金黄色葡萄球菌和（h）大肠杆菌的菌落。（i）–（j）-rGO@BH光热蒸发器计算的对数去除效率（LRE）和（k）细菌减少百分比。（关于本图例中颜色参考的解释，读者可参考本文的网络版。）

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