Nature子刊：雾中取净水，光催化立功

地球超过70%的表面积被水覆盖，尽管其中淡水占比不足3%，但仅从储量角度来说，这些淡水满足人类的各种生产生活需求绰绰有余。遗憾的是，由于分布不均和污染问题，淡水对于很多地区来说是一种稀缺的资源。据统计，全球每年至少有一个月遭遇淡水供应不足的人口超过半数。为了应对这一挑战，过去几十年的研究重点一直放在雨、雾、露和蒸汽等大气水收集以及减少淡水使用和处理受污染的水源上。其中，从雾中收集水是最有前途的方法之一。在秘鲁、玻利维亚和智利等国，生活在多雾但干旱地区的人们会“张网捕雾”——用网从雾中收集水滴。例如秘鲁的利马和阿曼的措法尔等地，一平方米的网每天可以收集9-70升的水，而大型装置（即5000平方米的网）一天可以收集多达10万升的水。然而，这种无需任何外部能源的雾中取水的方式却受限于大气污染，世界上许多城市空气污染严重，以至于从雾中收集的水都不够干净，未经处理无法用于饮用或烹饪，而这些城市也正是最需要安全饮用水的地方。

图1. 利马附近的人们张网捕雾。图片来源于网络

近日，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的Thomas M. Schutzius等研究人员开发出一种从雾中高效收集水并同时完成有机污染物降解的方法。他们设计的核心是一个金属丝网，上面涂有包裹在聚合物基质中的锐钛矿二氧化钛纳米颗粒。一旦被阳光活化，即使在没有阳光的情况下，光活性二氧化钛层也会持续数小时分解柴油、双酚A等有机分子，可以在雾天、阴天以及夜晚工作；此外，网格表面的润湿性也提高了水的提取效率。在室外试验中，该装置能长期保持良好的集水性能，并且水处理效率大于85%。该装置无需额外供能，可实现净化水的连续生产，为淡水资源短缺提供了一个有前途的解决方案。相关论文发表于Nature Sustainability。

图2. 使用间歇性紫外线照射进行净化的活性涂层。图片来源：Nat. Sustain.

作者设计了两种光催化反应涂层，一种亲水，一种疏水。对于前者，二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒包埋在接枝有聚二甲基硅氧烷（PDMS）刷的聚乙烯醇缩丁醛（PVB）基质中；对于后者，组成类似，只是PVB换成乙基纤维素（EC）（图2a、b）。他们将这些涂层沉积在玻璃基板和丝网上，测试有机物降解能力之前，先将涂层暴露在紫外线光源下活化。他们将含有甲基橙的水滴（初始浓度25 ppm，体积5 µL）滴在活性TiO₂-PVB-PDMS和TiO₂-EC-PDMS涂层上，可以看到，水滴分别在30 min和250 min后由淡橙色变为清澈，表明有机污染物被分解（图2c、d）。此外，他们还研究了TiO₂-PVB-PDMS反应涂层处理实际有机污染物的能力，即柴油和双酚A。他们用紫外光照射含TiO₂-PVB-PDMS涂层的培养皿，然后滴加100 µL的水-柴油乳液（柴油在水中的初始浓度0.75 ppm），接触30 min后，浓度值降低了99.9%（图2e）；而对于3000 µL初始浓度0.15 ppm的水-双酚A混合物，随着时间的推移，双酚a的浓度逐渐下降，30分钟后已无法检测到（图2f）。有意思的是，TiO₂-PVB-PDMS涂层在未经过紫外线照射活化时，其实是疏水的，只有在紫外线照射后才变为亲水性；而TiO₂-EC-PDMS涂层在紫外线照射活化前后，都是疏水的（表1）。

表1. 紫外线照射前后的表面性质。图片来源：Nat. Sustain.

利用落射荧光显微镜，作者还探索了润湿性和液滴体积对单个液滴降解污染物所需时间的影响，并使用“扩散-吸附-反应”模型解释了获得的结果，其中疏水和亲水反应涂层分属扩散限制机制和吸附限制机制。

图3. 利用纳米工程涂层网收集和处理含污染物的雾。图片来源：Nat. Sustain.

作者在活性涂层中以最大浓度加入TiO₂光催化纳米颗粒，同时还兼顾良好的涂层附着力，他们引入了大量的活性位点以实现最少的水处理时间。当沉积在网状基板上时，他们发现与TiO₂-EC-PDMS反应涂层相比，TiO₂-PVB-PDMS反应涂层具有更好的雾收集和水处理效率，究其原因，可能后者的液滴接触角更小，污染物扩散长度更短。这些推测得到了高速成像以及处理时间的实验和理论结果的支持。然后，他们进行了室外测试，在高紫外线指数条件下（晴天），TiO₂-PVB-PDMS反应网的水处理效率超过90%，当紫外线指数为零时（阴天），其水处理效率仍可达到85%，从而证明了该技术的应用前景。

图4. 室外测试。图片来源：Nat. Sustain.

小结

本文作者报道了一种完全被动式的雾收集和水处理系统，能够高效捕获雾，同时以能量中性的方式去除水中的有机污染物。该系统由一个带有太阳能光活化反应涂层（包裹在聚合物基质中的锐钛矿二氧化钛纳米颗粒）的雾收集网组成，润湿性可以调节，即使在没有紫外线的情况下也能保持活性。这意味着一旦安装，几乎不需要或根本不需要维护。此外，除了少量但常规剂量的紫外线外，再生催化剂也不需要任何能量。除了从雾中收集饮用水外，这项技术还可以用于回收冷却塔所排出蒸汽中的水。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Photocatalytically reactive surfaces for simultaneous water harvesting and treatment

Ritwick Ghosh, Adrien Baut, Giorgio Belleri, Michael Kappl, Hans-Jürgen Butt & Thomas M. Schutzius 

Nat. Sustain., 2023, DOI: 10.1038/s41893-023-01159-9

（本文由焰君供稿）