二硫化鉬/竹材光熱轉(zhuǎn)換材料的制備及其海水淡化性能研究

金楊兵，謝梅花，張 平，李景鵬，王 喆，金春德*

(1.浙江農(nóng)林大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 杭州 311300；2.國(guó)家林業(yè)和草原局竹子研究開發(fā)中心/浙江省竹子高效加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012)

水資源短缺一直是現(xiàn)代社會(huì)面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，全球還有數(shù)十億人生活在水資源極度匱乏的地區(qū)[1]。隨著氣候變化、城市化進(jìn)程的加快、人口的增長(zhǎng)和工業(yè)的快速發(fā)展等關(guān)鍵因素，使這一問題顯得越來越突出[2-4]。地球上約71%的表面積被海洋覆蓋，約占地球上總水量的97%，可供人類引用的水資源只占2%。所以擴(kuò)大水資源供應(yīng)需要轉(zhuǎn)向更具挑戰(zhàn)性的水源，如海水或廢水。因此，海水淡化技術(shù)就顯得尤為重要?，F(xiàn)在較為成熟的海水淡化技術(shù)是反滲透法和蒸餾法，也就是常說的膜法[5]和熱法[6]。這2種方法除了成本高以外，還都需要通過消耗化石能源來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使用過程中化石能源消耗會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體和污染環(huán)境的物質(zhì)。太陽(yáng)能作為一種清潔環(huán)保的能源來進(jìn)行海水淡化可以減輕水資源短缺的壓力。同時(shí)，光熱轉(zhuǎn)換材料是衡量海水淡化的光熱轉(zhuǎn)換效率高低的關(guān)鍵。目前，海水淡化過程中使用到的光熱轉(zhuǎn)換材料有金屬納米材料[7]、碳基材料[8-9]、其他材料[10]等。但是，金屬納米材料易產(chǎn)生團(tuán)聚，穩(wěn)定性較差，且成本過高；碳基材料存在制備復(fù)雜等因素。天然竹材擁有粗糙多孔的結(jié)構(gòu)，具有環(huán)?？稍偕?，導(dǎo)熱系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，在光熱蒸發(fā)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，如Liu等人研究表明，表面炭化竹(SC-bamboo)作為一種光熱材料表現(xiàn)出優(yōu)良的水蒸發(fā)性能，在一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到93.63%，超過了以往研究的大多數(shù)生物衍生材料[11]。Feng等人制備了一種高效的竹子的蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器具有穩(wěn)定的自漂浮狀態(tài)和連續(xù)的微納米通道，能有效凈化海水，具有自清潔能力，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下1.522 kg·m-2·h-1的蒸發(fā)速率，光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到94.4%[12]；二硫化鉬作為一種典型的過渡金屬二硫化物，與石墨烯和氧化石墨烯(GO)相比具有更低的導(dǎo)熱性，更有利于形成局域熱集中[13]。同時(shí)還具有化學(xué)穩(wěn)定性好、吸光效率高等優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)行太陽(yáng)能海水淡化的優(yōu)良光熱吸收材料之一。

該研究以鉬酸鈉和硫脲采用水熱合成二硫化鉬的方法在天然竹材上制備2D二硫化鉬/竹材光熱轉(zhuǎn)換材料。詳細(xì)測(cè)試了2D二硫化鉬/竹材蒸發(fā)前后的溫度變化；分別測(cè)定了2D二硫化鉬/竹材在一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，1 h的質(zhì)量損失、蒸發(fā)速率和太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換效率；循環(huán)測(cè)試了2D二硫化鉬/竹材蒸發(fā)的耐久性和穩(wěn)定性；對(duì)2D二硫化鉬/竹材蒸發(fā)后的淡化效果進(jìn)行了水質(zhì)評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用的是5年生的毛竹(Phyllostachysedulis)，購(gòu)自中國(guó)浙江省。鉬酸鈉(MoNa2O4)是由上海麥克萊恩生化有限公司生產(chǎn)的。硫脲(H2NCSNH2)購(gòu)自中國(guó)國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司。無水乙醇(Ethanol absolute，AR)由昆山金城試劑有限公司提供。其他化學(xué)試劑均為分析級(jí)，實(shí)驗(yàn)使用去離子水。

1.2 2D二硫化鉬/竹材光熱轉(zhuǎn)換材料的制備

制備二硫化鉬/竹材光熱轉(zhuǎn)換材料的實(shí)驗(yàn)方案參考了制備二硫化鉬的文獻(xiàn)[14]。首先將毛竹切割成橫截面積為1 cm(徑向)×1 cm(弦向)×0.5 cm(縱向)的方塊狀。分別去除竹青和竹黃，超聲清洗20 min后烘干。其次，將2.059 2 g的鉬酸鈉溶于去離子水，得到0.01 M的鉬酸鈉溶液；另取0.152 4 g的硫脲溶于去離子水，得到0.02 M的硫脲溶液；混合備用。第三步，將竹塊放入混合溶液中，攪拌浸漬2 h，取出后在60 ℃下烘干5 h。第四步，將10.296 g的鉬酸鈉溶于去離子水，得到0.05 M的鉬酸鈉溶液；另取7.612 g的硫脲溶于去離子水，得到0.1 M的硫脲溶液；混合備用。待溶液溶解后，將溶液和烘干的竹塊放入水熱合成反應(yīng)釜中，在200 ℃下反應(yīng)6 h。最后，當(dāng)水熱合成反應(yīng)釜的表面溫度降至室溫時(shí)，取出竹塊，用去離子水清洗后備用。

1.3 儀器及表征

利用掃描電子顯微鏡(SEM，TM3030，Hitachi，Japan)對(duì)2D二硫化鉬/竹材的形貌進(jìn)行了表征。用能譜儀(EDS，F(xiàn)EI Inc.，Hillsborough，OR，USA)對(duì)竹導(dǎo)管表面進(jìn)行了元素觀察。用X射線衍射儀(XRD，XRD-6000，日本島津)以5° min-1的掃描速率在5°到80°的范圍內(nèi)來分析2D二硫化鉬/竹材的晶體結(jié)構(gòu)。采用紫外/可見光/近紅外漫反射測(cè)試(UV-3600，日本島津)測(cè)定了2D二硫化鉬/竹材在250-2 500 nm范圍內(nèi)的吸收光譜。用產(chǎn)自瑞典型號(hào)為TPS 2500S的Hot disk導(dǎo)熱系數(shù)儀測(cè)定了天然竹材和2D二硫化鉬/竹材樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。采用杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的手持測(cè)溫?zé)嵯駜x(DS-2TPH10-3AUF)拍攝海水蒸發(fā)的宏觀照片并記錄了樣品的表面溫度。每個(gè)樣品的溫度測(cè)量至少重復(fù)3次。普通干燥箱來自于上海精宏公司。超聲波清洗器產(chǎn)自上?？茖?dǎo)公司。

1.4 海水蒸發(fā)測(cè)試

用中教金源公司的氙燈(CEL-HXUV300H5)和光學(xué)元件AM1.5模擬一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度。保持光源儀器在14 V的電壓條件下，將電流控制在14-16 A的范圍內(nèi)，以改變光照強(qiáng)度。由中教金源公司的光學(xué)功率計(jì)(CEL-NP2000-2)讀取光照強(qiáng)度。2D二硫化鉬/竹材漂浮在裝有海水溶液的容器中。該研究使用由上海梅特勒-托利多儀器有限公司生產(chǎn)的電子天平(0.000 1 g)(ME204E)測(cè)量隨時(shí)間的質(zhì)量變化并計(jì)算質(zhì)量損失，蒸發(fā)速率和光熱轉(zhuǎn)換效率。采用ICP-OES法測(cè)定海水淡化前后的四種金屬離子的濃度變化，測(cè)試儀器型號(hào)為Agilent 720ES(OES)。海水蒸發(fā)測(cè)試的溫度在約25 ℃的環(huán)境中，濕度為65%。

2 結(jié)果與分析

2.1 2D二硫化鉬/竹材的制備流程示意圖

受到自然界植物蒸騰作用的啟發(fā)，通過水熱合成法將二硫化鉬沉積到天然竹材內(nèi)表面來制備2D二硫化鉬/竹材光熱轉(zhuǎn)換材料，如圖1所示。竹子在橫截面上有大量導(dǎo)管分布，再加上表面存在親水性基團(tuán)也為水分的運(yùn)輸提供了充足的條件。合成后的2D二硫化鉬/竹材光熱轉(zhuǎn)換材料，由于內(nèi)壁附著了一層黑色的納米顆粒，使得天然竹材從原本的淡黃色變成了暗黑色，更利于太陽(yáng)能的吸收。

圖1 2D二硫化鉬/竹材的制備流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of preparation process of 2D MoS2/bamboo material

2.2 形貌結(jié)果分析

利用掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)對(duì)天然竹材和2D二硫化鉬/竹材的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。天然竹材橫截面上分布了基本組織細(xì)胞和以維管束為主體的厚壁細(xì)胞，組織細(xì)胞在顯微鏡下呈薄壁的圓形結(jié)構(gòu)，而厚壁細(xì)胞被組織細(xì)胞包圍，分布于組織細(xì)胞之間的維管束含有大量的管狀細(xì)胞，使細(xì)胞壁的厚度顯著增加。天然竹材的橫截面SEM圖如圖2(a)所示，與木材類似，天然竹材也含有大量的導(dǎo)管用于水分的運(yùn)輸。如圖2(b)所示的2D二硫化鉬/竹材導(dǎo)管內(nèi)表面上負(fù)載有大量的MoS2納米顆粒，再加上天然竹材本身形態(tài)具有的多孔性，使其對(duì)水蒸氣具有更優(yōu)異的蒸發(fā)性能。從圖2(c)到圖2(e)所示的SEM高倍圖像中，可以清楚地觀察到MoS2在天然竹材導(dǎo)管內(nèi)表面上的形態(tài)。MoS2納米顆粒非常小，緊密地負(fù)載在導(dǎo)管內(nèi)表面上，形成了局部聚集和無規(guī)則排布。圖2(f)到圖2(i)是C、O、S、Mo元素的EDS圖譜，進(jìn)一步證明了MoS2沉積在天然竹材導(dǎo)管內(nèi)壁上。這些結(jié)果證明了MoS2與天然竹材成功復(fù)合。

圖2 天然竹材和2D二硫化鉬/竹材的微觀結(jié)構(gòu)(a)天然竹材橫截面的SEM圖；(b)2D二硫化鉬/竹材橫截面的SEM圖；(c，d，e)有二硫化鉬沉積導(dǎo)管內(nèi)表面的SEM圖像；(f，g，h，i)元素C、O、S和Mo在導(dǎo)管內(nèi)表面的EDS圖Fig.2 Microstructures of natural bamboo and 2D MoS2/bamboo(a) Scanning electron microscopy (SEM) image of the cross section of natural bamboo；(b) SEM image of the cross section of 2D MoS2/bamboo；(c，d，e) SEM images of a vessel with MoS2 deposition；(f，g，h，i) Energy dispersive spectroscopy (EDS) mapping of C，O，S and Mo on the inner surface of the vessel

2.3 紅外和XRD結(jié)果分析

可以用傅里葉紅外光譜來分析天然竹材和2D二硫化鉬/竹材的組成成分。圖3(a)顯示了天然竹材和2D二硫化鉬/竹材的紅外圖譜，天然竹材在3 347 cm-1有一個(gè)寬的吸收帶，主要是因?yàn)橹癫闹欣w維素、半纖維素和木質(zhì)素中O-H的拉伸振動(dòng)[15]，而負(fù)載二硫化鉬后，2D二硫化鉬/竹材樣品的O-H峰向較低波段偏移，造成這種結(jié)果的原因是因?yàn)槎蚧f與竹材表面-OH之間有強(qiáng)相互作用。天然竹材在2 895 cm-1附近的峰，是因?yàn)?CH3和-CH2-中的C-H拉伸[15]。天然竹材在1 730 cm-1處的吸收峰歸因于C=O振動(dòng)[16]。在1 637 cm-1處二硫化鉬的吸收峰可能與O-H的拉伸振動(dòng)有關(guān)[17]。在1 602 cm-1附近的吸收峰代表木質(zhì)素芳香環(huán)中芳香C=C的拉伸振動(dòng)[15]，在1 235 cm-1處的強(qiáng)吸收峰與半纖維素木聚糖中O=C=O基團(tuán)的C-O拉伸有關(guān)[16]。在1 114 cm-1處，2D二硫化鉬/竹材出現(xiàn)了吸收峰，可能與S-O拉伸有關(guān)[18]。而1 035 cm-1處的峰值代表了半纖維素和木質(zhì)素中的C-O拉伸[15]。在516 cm-1處，2D二硫化鉬/竹材也出現(xiàn)了吸收峰，可能與Mo-S振動(dòng)有關(guān)[18]。2D二硫化鉬/竹材的其他吸收峰與天然竹材相似，以上結(jié)果證明了二硫化鉬和竹材成功復(fù)合。

利用X射線衍射圖譜可以分析天然竹材和2D二硫化鉬/竹材的晶體結(jié)構(gòu)。圖3(b)為天然竹材和2D二硫化鉬/竹材的X射線衍射譜圖(XRD)。天然竹材2θ=15.5°處的衍射峰屬于晶體平面(101)[19]，而2θ=22.4°，這是歸屬于纖維素晶體(020)晶面。2D二硫化鉬/竹材的XRD圖譜中，除了具有竹材的峰之外，在2θ=14.1°，2θ=39.5°和2θ=49.4°有屬于二硫化鉬的峰，分別對(duì)應(yīng)為晶面(002)、晶面(103)和晶面(105)，且峰位置和卡片JCPDS No. 75-1539相符合。這些結(jié)果證實(shí)了二硫化鉬粒子成功地沉積在天然竹材上。綜上所述，二硫化鉬成功負(fù)載在天然竹材上。

圖3 (a)天然竹材和2D二硫化鉬/竹材的FTIR圖譜；(b)天然竹材和2D二硫化鉬/竹材的XRD圖譜Fig.3 (a) Infrared spectra of natural bamboo and 2D MoS2/bamboo；(b) XRD spectra of natural bamboo and 2D MoS2/bamboo

2.4 導(dǎo)熱系數(shù)、水接觸角、吸光度分析

利用導(dǎo)熱系數(shù)儀測(cè)得天然竹材導(dǎo)熱系數(shù)為0.279 7 W·m-1·k-1，2D二硫化鉬/竹材的導(dǎo)熱系數(shù)為0.298 8 W·m-1·k-1，如圖4(a)所示。所以使用天然竹材作為低導(dǎo)熱率的基質(zhì)材料能更好地減少海水淡化過程中熱損失，是進(jìn)行太陽(yáng)能光熱蒸發(fā)的優(yōu)質(zhì)材料。

天然竹材和2D二硫化鉬/竹材水接觸角圖像如圖4(b)所示，接觸角結(jié)果表明天然竹材具有親水性，2D二硫化鉬/竹材親水的結(jié)果也表明其有利于水分在竹微通道間的運(yùn)輸，為太陽(yáng)能光熱水蒸發(fā)提供了重要保證。

天然竹材和2D二硫化鉬/竹材的紫外/可見光/近紅外圖譜如圖4(c)所示。由于天然竹子的吸收光譜與太陽(yáng)光譜有明顯的重疊，因此天然竹子本身就有一定的吸收光的能力。因此，竹子是一種能保暖的材料，在陽(yáng)光下會(huì)產(chǎn)生明顯的溫度。在天然竹材橫截面復(fù)合二硫化鉬后，復(fù)合材料的光吸收曲線在近紫外光中表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收，這種近紫外光的吸收彌補(bǔ)了天然竹材在該波段低吸收率的缺陷，2D二硫化鉬/竹材復(fù)合后的光吸收率可達(dá)到80%以上。

圖4 (a)天然竹材和2D二硫化鉬/竹材的導(dǎo)熱系數(shù)；(b)天然竹材和2D二硫化鉬/竹材的水接觸角測(cè)試結(jié)果；(c)天然竹材和2D二硫化鉬/竹材的紫外/可見光/近紅外圖譜Fig.4 (a) Thermal conductivities of natural bamboo and 2D MoS2/bamboo；(b) Water contact angles of natural bamboo and 2D MoS2/bamboo；(c) UV/Vis/NIR spectra of natural bamboo and 2D MoS2/bamboo

2.5 熱力結(jié)果分析

為了研究2D二硫化鉬/竹材在陽(yáng)光下的蒸發(fā)效果，對(duì)2D二硫化鉬/竹材的熱性能進(jìn)行了測(cè)試。圖5(a)和圖5(b)分別展示了在一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，在相同的背景前，由手持測(cè)溫?zé)嵯駜x拍攝到的純水和2D二硫化鉬/竹材蒸發(fā)時(shí)的溫度變化。從圖5(a)可以看出在光照30 min后，純水蒸發(fā)系統(tǒng)的整個(gè)水體溫度升高了6.1 ℃。而圖5(b)顯示，在相同條件下，當(dāng)2D二硫化鉬/竹材被照射30 min后，表層水體溫度升高11 ℃。這說明純水蒸發(fā)系統(tǒng)在蒸發(fā)時(shí)并沒有形成較為良好的局域熱集中，而是太陽(yáng)能被消耗于大部分水體中。也就是太陽(yáng)能加熱整個(gè)純水蒸發(fā)系統(tǒng)時(shí)能量消耗太大，導(dǎo)致表層水面的溫度不高。而在2D二硫化鉬/竹材蒸發(fā)過程中可以看出熱量主要集中于蒸發(fā)系統(tǒng)表面，下部水體的溫度只有小幅度升高。圖6是在一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下海水、天然竹材和2D二硫化鉬/竹材的溫度隨時(shí)間的變化曲線，也印證了2D二硫化鉬/竹材溫度上升的表現(xiàn)。在一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，2D二硫化鉬/竹材的溫度隨著時(shí)間的推移快速升高，20 min后接近達(dá)到34 ℃。由此可知，因?yàn)闊崃靠梢跃植考杏?D二硫化鉬/竹材的水體表面，再加上天然竹材的導(dǎo)熱系數(shù)低可以進(jìn)一步降低熱量消耗的影響，所以2D二硫化鉬/竹材具有快速產(chǎn)生太陽(yáng)能蒸汽的條件。

圖5 在一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，水和2D二硫化鉬/竹材蒸發(fā)時(shí)的紅外照片(a)水蒸發(fā)時(shí)的溫度變化；(b)2D二硫化鉬/竹材蒸發(fā)時(shí)的溫度變化Fig.5 Infrared images of water evaporation system and 2D MoS2/bamboo evaporation system at 1-sun intensity(a) Change in temperature of water evaporation system over time；(b) Change in temperature of 2D MoS2/bamboo evaporation system over time

圖6 一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，海水、天然竹材和2D二硫化鉬/竹材的溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 Time-dependent changes in temperatures of seawater，natural bamboo and 2D MoS2/bamboo evaporation systems at one sun intensity

圖7 太陽(yáng)能蒸發(fā)結(jié)果海水、天然竹材和2D二硫化鉬/竹材在1 h內(nèi)(a)暗反應(yīng)下的質(zhì)量損失和在一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下的質(zhì)量損失；在一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下(b)蒸發(fā)速率；(c)光熱轉(zhuǎn)換效率；(d)循環(huán)8 h的質(zhì)量損失；(e)循環(huán)8 h的光熱轉(zhuǎn)換效率；(f)2D二硫化鉬/竹材循環(huán)10次平均水蒸發(fā)量的變化Fig.7 Solar evaporation results(a) Water mass losses in seawater，natural bamboo and 2D MoS2/bamboo systems within one hour in dark reaction and at one-sun intensity；(b) The evaporation rates and (c) Photothermal conversion efficiencies of these three systems at one-sun intensity；(d) Water mass losses and (e) Photothermal conversion efficiencies of these three systems during eight-hour evaporation；(f) Variation of average water evaporation in 2D MoS2/bamboo system during a 10-cycle test

2.6 海水蒸發(fā)測(cè)試結(jié)果

圖7表明了海水、天然竹材和2D二硫化鉬/竹材的太陽(yáng)能蒸發(fā)結(jié)果?？梢钥闯龊Ｋ⑻烊恢癫暮?D二硫化鉬/竹材具有不同的蒸發(fā)速率，而質(zhì)量損失可以直觀反映蒸發(fā)速率的大小。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，額外測(cè)試并去除了在暗反應(yīng)中蒸發(fā)水的質(zhì)量。圖7(a)顯示了去除暗反應(yīng)水的蒸發(fā)質(zhì)量以后，海水和天然竹材在一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，一小時(shí)內(nèi)的質(zhì)量損失分別為0.969 kg·m-2，1.021 kg·m-2；與之對(duì)比的2D二硫化鉬/竹材樣品的質(zhì)量損失為1.095 kg·m-2，從圖中可以看出，三者的質(zhì)量損失大致都呈線性下降，與海水和天然竹材蒸發(fā)相比，2D二硫化鉬/竹材樣品在相同光照下蒸發(fā)時(shí)質(zhì)量損失下降幅度最大。5 min時(shí)間里，2D二硫化鉬/竹材樣品的蒸發(fā)水量約為0.10 kg·m-2。海水、天然竹材和2D二硫化鉬/竹材一個(gè)小時(shí)內(nèi)在一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下的蒸發(fā)速率如圖7(b)所示，三者圖像一致呈指數(shù)式上漲，并且在圖中可以看到蒸發(fā)過程中2D二硫化鉬/竹材樣品的蒸發(fā)速率上升幅度明顯比海水和天然竹材蒸發(fā)時(shí)的上升幅度大，一個(gè)小時(shí)后，海水和天然竹材的蒸發(fā)速率分別為0.969 kg·m-2·h-1，1.021 kg·m-2·h-1；2D二硫化鉬/竹材的蒸發(fā)速率為1.095 kg·m-2·h-1。光熱轉(zhuǎn)換效率是衡量水分蒸發(fā)能力的關(guān)鍵物理量，如圖7(c)所示。隨著時(shí)間的推移，1 h后海水和天然竹材的光熱轉(zhuǎn)換效率分別達(dá)到69.20%，72.92%；2D二硫化鉬/竹材樣品的光熱轉(zhuǎn)換效率則達(dá)到78.20%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，2D二硫化鉬/竹材的水分蒸發(fā)速率明顯比海水和天然竹材快，并且2D二硫化鉬/竹材的光熱轉(zhuǎn)換效率明顯比海水和天然竹材的光熱轉(zhuǎn)換效率高。下式為太陽(yáng)輻照下的光熱轉(zhuǎn)換效率[20]：

(1)

在上式中，m表示蒸發(fā)速率(凈蒸發(fā)速率：同等條件下減去暗反應(yīng)中水的蒸發(fā)率)，η是光熱轉(zhuǎn)換效率，hLV代表顯熱與潛熱之和，是總焓；qi是一個(gè)太陽(yáng)照明通量(1 000 W·m-2)，Copt是光學(xué)強(qiáng)度，這里是1。根據(jù)上述公式，算出一個(gè)太陽(yáng)光照下，2D二硫化鉬/竹材1 h內(nèi)的光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到78.20%。為了進(jìn)一步了解2D二硫化鉬/竹材耐久使用性能如何，為此分別進(jìn)行了循環(huán)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。讓2D二硫化鉬/竹材在一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，連續(xù)蒸發(fā)8 h，觀察其質(zhì)量損失和光熱轉(zhuǎn)換效率的變化，如圖7(d)所示。由圖可知2D二硫化鉬/竹材樣品在連續(xù)蒸發(fā)4 h后，質(zhì)量損失達(dá)到4.844 kg·m-2，平均質(zhì)量損失為1.211 kg·m-2；連續(xù)蒸發(fā)8 h后，質(zhì)量損失達(dá)到9.241 kg·m-2。在蒸發(fā)了8 h以后，平均質(zhì)量損失依然能達(dá)到1.155 kg·m-2，可以看出2D二硫化鉬/竹材具有較好的耐久性能。循環(huán)8 h的光熱轉(zhuǎn)換效率如圖7(e)所示。在最初的3 h中，光熱轉(zhuǎn)換效率大幅增加，第3 h達(dá)到85.49%，從第3～4 h增速開始減慢，最高時(shí)達(dá)到86.49%，但從第4 h開始直到最后，光熱轉(zhuǎn)換效率開始逐漸下降，這可能是因?yàn)橛猩倭葵}析出堵塞了部分導(dǎo)管，到第8 h，光熱轉(zhuǎn)換效率依然能夠保持在82.5%。在一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下，2D二硫化鉬/竹材循環(huán)8小時(shí)的照片如圖8所示。圖7(f)是2D二硫化鉬/竹材蒸發(fā)過程中水的蒸發(fā)質(zhì)量隨著循環(huán)次數(shù)的變化，循環(huán)10次后，平均水蒸發(fā)的質(zhì)量依然能保持在1.083 kg·m-2。圖中可以看出循環(huán)10次過程中，平均水蒸發(fā)量并沒有隨著循環(huán)次數(shù)的增多而明顯減少。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以充分說明，利用2D二硫化鉬/竹材作為光熱蒸發(fā)材料時(shí)能保持優(yōu)良的耐久性和穩(wěn)定性。

圖8 2D二硫化鉬/竹材在一個(gè)太陽(yáng)光照強(qiáng)度下循環(huán)8 h的照片F(xiàn)ig.8 Photos of MoS2/bamboo material during 8-hour evaporation test under one-sun intensity illumination

圖9 海水用2D二硫化鉬/竹材淡化前后，4種主要金屬陽(yáng)離子的濃度變化Fig.9 Concentration changes of four main metal cations in seawater after 2D MoS2/bamboo desalination

2.7 脫鹽性能結(jié)果分析

為了了解2D二硫化鉬/竹材在實(shí)際應(yīng)用過程中是否具有良好的脫鹽性能，收集了2D二硫化鉬/竹材蒸發(fā)后的淡水。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定蒸發(fā)前后四種金屬陽(yáng)離子的濃度。由圖9可知，蒸發(fā)水中Na+、Mg2+、K+和Ca2+的濃度分別為13.08 mg·L-1、0.94 mg·L-1、3.00 mg·L-1和1.24 mg·L-1。蒸發(fā)后，淡水的4種金屬陽(yáng)離子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于初始海水的陽(yáng)離子濃度，符合世界衛(wèi)生組織(WHO)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明2D二硫化鉬/竹材在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的脫鹽性能。

3 結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)采用鉬酸鈉和硫脲為原料進(jìn)行水熱合成二硫化鉬的方法，將二硫化鉬納米粒子負(fù)載于在天然竹材內(nèi)表面復(fù)合形成2D二硫化鉬/竹材，來進(jìn)行太陽(yáng)能海水蒸發(fā)測(cè)試。通過SEM和EDS對(duì)2D二硫化鉬/竹材樣品進(jìn)行表征，證實(shí)了二硫化鉬納米顆粒被緊密地固定于天然竹材導(dǎo)管內(nèi)表面，并形成了較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；運(yùn)用FTIR和XRD驗(yàn)證了二硫化鉬納米顆粒成功負(fù)載在天然竹材上；用UV/Vis/NIR測(cè)得2D二硫化鉬/竹材在250-2 500 nm范圍內(nèi)最大光吸收超過80%；在一個(gè)太陽(yáng)的光照強(qiáng)度下，1 h內(nèi)2D二硫化鉬/竹材的溫度可以達(dá)到34.4 ℃，蒸發(fā)速率為1.095 kg·m-2·h-1，光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到78.20%；循環(huán)8 h后，光熱轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到82.5%；循環(huán)10次后平均水蒸發(fā)量能達(dá)到1.083 kg·m-2；通過ICP-OES對(duì)蒸發(fā)后的淡水進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)可得，蒸發(fā)后淡水中四種金屬陽(yáng)離子Na+、Mg2+、Ca2+和K+的濃度分別降低為13.08 mg·L-1、0.94 mg·L-1、3.00 mg·L-1和1.24 mg·L-1。天然竹材具有良好的親水性和低熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，二硫化鉬具有優(yōu)異的光吸收率和光熱轉(zhuǎn)換特性，在海水環(huán)境中2D二硫化鉬/竹材能保持穩(wěn)定性，且具有良好的脫鹽性能。因此，2D二硫化鉬/竹材是一種適合太陽(yáng)能海水蒸發(fā)的優(yōu)質(zhì)材料。