四川农业大学赵洋、傅俊衡团队:调控缺陷型氧化钨气凝胶蒸发器 强化太阳能蒸汽生成与重金属吸附,助力灌溉

图1：缺陷型氧化钨及其复合气凝胶制备与农业灌溉应用示意图。

图1展示了复合气凝胶制备流程图，以废纸提纤维素、溶剂热-氢还原工艺退火制得高稳定性缺陷型氧化钨，再经交联、冷冻干燥制得复合气凝胶，依托缺陷型氧化钨的光热-吸附双功能实现污水净化，净化水直接用于农业灌溉，构建可持续水资源循环体系。

图2：复合气凝胶及各组分微观形貌表征。(a) WCA、(b) WCTOA、(c) r-WCTOA 的扫描电镜（SEM）图像；(d) 氧化钨（WO_3-x）、(e) 还原型氧化钨（r-WO_3-x）、(f) 氧化态氧化钨（o-WO_3-x）的扫描电镜（SEM）图像；(g) r-WCTOA 的能量色散 X 射线光谱（EDS）元素分布图谱；(h-j) 还原型氧化钨（r-WO_3-x）与氧化态氧化钨（o-WO_3-x）的透射电镜（TEM）图像。

图2通过 SEM/TEM/EDS Mapping 表征，证实 r-WO_3-x与废纸基纤维素/壳聚糖的高效界面融合，r-WO_3-x形貌优化且均匀分散，晶格条纹特征直接验证氧空位的物理存在。

图3：多种复合材料的结构表征。(a) r-WO_3-x、o-WO_3-x及WO_3-x的XRD图谱；(b)r-WCTOA、WCTOA及WCAXRD图谱；(c) r-WCTOA、WCTOA及WCA的XPS全谱；(d) r-WO_3-x与 WO_3-x的高分辨W 4f图谱；(e) r-WO_3-x与 WO_3-x的高分辨O 1s图谱；(f) r-WO_3-x、o-WO_3-x及 WO_3-x的EPR图谱。

图3通过XRD、XPS、EPR等结构表征，系统验证r-WO_3-x中氧空位的成功构建、高浓度及稳定性，明确氧空位诱导的晶格畸变、元素价态变化与未配对电子特征，为氧空位调控材料性能提供结构依据。

图4：不同蒸发器的光热转换性能与湿润性表征。(a) 200~2000 nm波长范围内的吸收光谱；(b) 1个太阳光照下r-WCTOA、WCTOA、WCA在空气中的表面温度变化曲线；(c) 1个太阳光照下 r-WCTOA、WCTOA、WCA在水中的表面温度变化曲线；(d) 1个太阳光照15 min后，WCA、WCTOA、WCA在水中的红外热成像图；(e) r-WCTOA在反复光暗循环过程中的温度-时间变化曲线；(f) WO_3-x和r-WO_3-x的表面润湿性测试结果；(g) r-WCTOA的表面液滴扩散情况。

图4显示，r-WCTOA依托氧空位诱导的LSPR效应实现92.89%的宽光谱光吸收，光热转换效率、循环稳定性优异，同时纤维素/壳聚糖的亲水官能团赋予材料超亲水性，实现快速水渗透，为高效太阳能界面蒸发奠定光热与传质双重基础。

图5：复合气凝胶蒸发性能(a) 蒸发装置示意图；(b) 暗态条件下的质量变化曲线；(c) 1个太阳光照下质量变化随蒸发时间的变化曲线；(d) 1个太阳光照下WCA、WCTOA及 r-WCTOA的蒸发速率与蒸发效率；(e) 不同太阳光照强度下质量变化随时间的变化曲线；(f) 不同太阳光照强度下 r-WCTOA 的蒸发速率与蒸发效率；(g) 10次循环（每次1小时）的蒸发速率变化；(h) 1个太阳光照下本研究复合气凝胶与其他重金属吸附型蒸发器的性能对比（3.5 wt.% 盐度水体系）；(i) 户外实验装置实拍图及自然光照下的日均产水量与环境温度变化。

图5展现出r-WCTOA在1个太阳光照下平均蒸发速率达1.812 kg m^-2 h^-1，循环、盐耐受性优异，户外7天实际测试日均产水量满足WHO饮用水标准，证实材料在实际制水场景的应用潜力。

图6：吸附性能测试(a) pH 值对 Pb²⁺吸附容量的影响。(b) Langmuir模型与 Freundlich模型拟合 r-WCTOA、WCTOA及WCA 对 Pb²⁺的吸附等温线。(c) 采用准一级动力学模型与准二级动力学模型分析r-WCTOA对Pb²⁺的吸附动力学。(d) r-WCTOA与WCTOA对Pb²⁺吸附的热力学拟合曲线。（e）采用吸附-太阳能驱动蒸发协同过程。（f）循环稳定性测试。

图6系统研究了 r-WCTOA 对Pb²⁺的吸附行为，并结合动力学、热力学模型揭示吸附机制，进一步验证光热驱动下的协同强化效应，除此以外，热力学拟合结果显示吸附过程可自发进行，且升温有利于吸附，为光热升温强化吸附提供了理论支撑。光-暗吸附和循环测试均表示出，r-WCTOA光热-吸附协同进程具有优异的光响应性和稳定性。

图7：氧空位调控下氧化钨的电子结构与Pb²⁺吸附能分析 (a) 三氧化钨的自旋向下能带结构计算结果(b) 缺氧氧化钨的自旋向下能带结构计算结果(c) O的分波态密度谱(d) W的分波态密度谱(e) 三氧化钨的总态密度谱(f) 缺陷型氧化钨的总态密度谱 (g,h)基于DFT计算 Pb²⁺在 WO₃与 WO_3-x(010) 晶面上的吸附行为。

图7展示了对材料能带结构、态密度的计算结果，发现氧空位的引入使带隙显著窄化，提升了电子浓度和光响应能力。态密度计算结果表明，氧空位引入增强了轨道杂化与电子离域性，通过自旋极化抑制光生载流子的辐射复合。除此以外，吸附能计算表明，Pb²⁺在WO_3-x表面的吸附能更低、结合键长更短，吸附更稳定。

发 展 历 程

Carbon Neutralization（《碳中和研究》期刊）是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自11个国家和地区的28名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2025年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ数据库收录，入选为中国科技期刊卓越行动计划二期高起点新刊、新锐分区（原中科院分区），并于2025年获得首个影响因子 12 。

Carbon Neutralization（《碳中和研究》期刊）重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。

END