郭其景，詹偉泉，王清淼，賈菲菲，宋少先

（1 武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430070；2 瓜納華托大學(xué)礦物、冶金與地質(zhì)工程學(xué)部，墨西哥瓜納華托36000）

淡水需求量和可利用量在時(shí)空分布上的不均衡造成了全球淡水資源短缺，并隨著人口增長、城市擴(kuò)張、工業(yè)化發(fā)展、氣候變化和水環(huán)境惡化，淡水資源匱乏進(jìn)一步加劇。目前，超過三分之一的人口生活在淡水資源稀缺地區(qū)，水危機(jī)給人類生存構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。海水約占全球地表水資源的97.5%[1]，因此高效利用海水資源可有效緩解水危機(jī)問題，脫鹽是高效開發(fā)海水資源必不可缺的環(huán)節(jié)。目前，常用的脫鹽方法有膜脫鹽[如反滲透（RO）等][2]和熱蒸餾（如多級閃蒸、多效蒸餾等）[3-4]等。傳統(tǒng)的膜脫鹽材料表面易結(jié)垢堵塞微孔，降低脫鹽效率，且生產(chǎn)的淡水水質(zhì)較差；熱蒸餾脫鹽需消耗大量能量，經(jīng)濟(jì)成本高且不環(huán)保。傳統(tǒng)的脫鹽方法在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)暴露出高成本、高能耗和低效率等缺點(diǎn)。近年來隨著科技的發(fā)展，脫鹽材料和工藝技術(shù)已得到進(jìn)一步發(fā)展，電容去離子（CDI）、太陽能脫鹽和改進(jìn)的膜脫鹽因設(shè)備簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)廣受關(guān)注，開發(fā)高效環(huán)保的脫鹽材料也成為研究重點(diǎn)。

碳基材料，如碳球[5]、炭黑[6]、石墨烯、氧化石墨烯（GO）、還原氧化石墨烯（RGO）和碳納米管（CNT）等[7-8]已被用于各種脫鹽技術(shù)，但這些材料合成步驟繁瑣且成本較高。此外，石墨烯[9]、CNT[10]和炭黑[11]等材料的疏水性會降低其脫鹽效率，親水性GO溶脹后易溶解于水溶液中從而限制其應(yīng)用[12-13]。MoS2作為一種典型的過渡金屬硫化物（TMD），具有S-Mo-S 層狀結(jié)構(gòu)，層間通過范德華力連接，熔點(diǎn)為1185℃，具有熱和力學(xué)穩(wěn)定性，不易被氧化，MoS2的低細(xì)胞毒性避免了MoS2基材料的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因其帶隙較窄而具有寬譜吸收性能，MoS2基材料已被廣泛制備和研究，應(yīng)用于制氫[14-15]、超級電容器[16-17]、傳感器[18]、消毒[19]和光催化[20]等領(lǐng)域。MoS2基薄膜材料在污水處理方面有優(yōu)異的性能，在水溶液中具有良好的穩(wěn)定性；MoS2納米材料帶隙可控，邊緣具有不飽和懸鍵，導(dǎo)帶位于0eV左右，具有良好的光催化還原性能；MoS2摻雜材料在光電器件上相對于其他材料具有更優(yōu)異的靈敏度；MoS2復(fù)合材料在吸附重金屬時(shí)具有優(yōu)異的吸附性能和循環(huán)穩(wěn)定性。MoS2因其高比表面積、層狀結(jié)構(gòu)以及極好的電化學(xué)穩(wěn)定性，在CDI中被廣泛研究；由于其層狀結(jié)構(gòu)，MoS2易形成類石墨烯的二維（2D）形態(tài)，該形態(tài)提供的較大表面積和2D 滲透性通道利于水分子運(yùn)輸，因此MoS2可用于制備半透膜或用于膜修飾改善商業(yè)半透膜的脫鹽性能；MoS2的強(qiáng)吸光性能及高光熱轉(zhuǎn)換效率使其在太陽能脫鹽領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用前景?；谔厥獾慕Y(jié)構(gòu)及優(yōu)異的物理化學(xué)特性，MoS2在改善傳統(tǒng)脫鹽工藝和發(fā)展新興脫鹽技術(shù)中具有很大的應(yīng)用潛力。

當(dāng)前，關(guān)于MoS2在海水淡化領(lǐng)域的研究主要集中在材料優(yōu)化和配制設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)高效脫鹽。本文概述了目前MoS2在電容去離子、膜脫鹽和太陽能脫鹽等方法中的研究進(jìn)展，分析MoS2在3種脫鹽方法實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，并展望MoS2在脫鹽領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 MoS2在海水淡化中的應(yīng)用

1.1 電容去離子

CDI基于離子電遷移從鹽水中去除帶電離子從而實(shí)現(xiàn)海水淡化，尤其適用于低鹽濃度的處理。CDI 的原理類似于雙電層電容器，主要包括4 個步驟：①鹽離子在固液界面的傳質(zhì)；②雙電層內(nèi)部離子的電吸附和能量儲存；③鹽離子在電極和鹽水之間的傳質(zhì)；④鹽水中的離子擴(kuò)散[21]。CDI 的特點(diǎn)是運(yùn)行效率高、系統(tǒng)組件和配制簡單、自動化程度高、能耗低且無二次污染[22-23]。但是，副反應(yīng)（陽極氧化反應(yīng)、陰極還原反應(yīng)和同離子排出）增加了能量損失并導(dǎo)致出水水質(zhì)波動，影響CDI的進(jìn)一步發(fā)展[24-25]。高性能的CDI 電極材料應(yīng)同時(shí)具有電容量高、反應(yīng)速率快、化學(xué)穩(wěn)定性高和成本低等特點(diǎn)，從而促進(jìn)鹽離子的脫除以及大規(guī)模應(yīng)用。目前對MoS2基電極的研究規(guī)模為電解槽水平，通過對電極施加電壓（0.8～1.6V）實(shí)現(xiàn)脫鹽，使用蠕動泵將NaCl 溶液循環(huán)驅(qū)動通過電極，并用電導(dǎo)儀在線監(jiān)測溶液的電導(dǎo)率，計(jì)算電極材料的鹽離子吸附性能。

1.1.1 MoS2電極

層狀MoS2的高比表面積、層間較弱的范德華力以及較大的層間距，有助于離子嵌入和離子傳輸[26]。將純MoS2直接用作CDI電極材料，其離子質(zhì)量去除能力在0.8V 電壓下為8.8mg/g[27]，在1.2V電壓下為9.97mg/g[28]。MoS2差的水潤濕性和基面惰性不利于電解質(zhì)進(jìn)入其表面，在固液界面形成高轉(zhuǎn)移阻力，并降低電化學(xué)表面的利用率，限制CDI性能。通過改善MoS2親水性、增加基面負(fù)電荷和提高層間距，可進(jìn)一步增強(qiáng)MoS2電極材料的脫鹽性能。Xing 等[29]通過化學(xué)剝離法制備MoS2（ce-MoS2），剝離后其表面暴露的大量負(fù)電荷增強(qiáng)了對陽離子的吸引，因剝離增大的層間距有助于離子嵌入和吸附，使其具有16.51mg/cm3的離子體積去除能力，并在極低鹽濃度（50mmol/L）下仍具有良好的脫鹽性能。Jia 等[27]通過熱處理改性制備富含缺陷的MoS2（T-MoS2），發(fā)現(xiàn)缺陷端Mo 在水溶液中會被氧化成MoO3，并以HMo或MoO的形式溶解于水溶液中，導(dǎo)致在MoS2上形成大量負(fù)電荷缺陷，促進(jìn)電極表面對Na+的靜電吸引，并且T-MoS2的 電 荷 轉(zhuǎn) 移 電 阻（2.583Ω） 小 于MoS2（5.535Ω），有利于傳輸電解離子，與未改性MoS2（12.8mg/g）相比，T-MoS2電吸附能力大幅提高（35mg/g）。此外，為提高M(jìn)oS2親水性，Wang 等[28]通過聚多巴胺（PDA）改性MoS2制備形成MoS2/PDA 復(fù)合材料，該材料良好的潤濕性、豐富的表面負(fù)電荷和較低的內(nèi)阻使其通過靜電作用在雙電層中捕獲的Na+數(shù)量明顯增加，顯示出優(yōu)異的比電容（99.9F/g）、電吸附速率（少于9min）和脫鹽能力（14.80mg/g）。因此，通過改善MoS2親水性或增加其表面負(fù)電荷可提升MoS2在CDI中的脫鹽性能。

1.1.2 MoS2雜化電極

MoS2的低電導(dǎo)率導(dǎo)致其在CDI應(yīng)用中儲能效果較差，因此前人通過將MoS2與具有良好導(dǎo)電性和力學(xué)穩(wěn)定性的碳基材料組合形成雜化電極的方式，提高M(jìn)oS2基電極材料的脫鹽性能[30-31]。Peng 等[32]制備了MoS2/rGO 雜化電極，發(fā)現(xiàn)花狀MoS2與rGO 的無序纏結(jié)結(jié)構(gòu)增加的比表面積（可達(dá)28.746m2/g）有助于容納和吸附更多的Na+，使其在200mg/L NaCl 溶液中最大脫鹽量可達(dá)16.82mg/g。Srimuk等[33]合成的MoS2/碳納米管雜化電極中陽離子和陰離子均可以通過法拉第反應(yīng)嵌入MoS2的層狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)脫鹽，并在不同物質(zhì)的量濃度下循環(huán)25次均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定脫鹽。該雜化電極在100mmol/L 和500mmol/L 溶液中去除每個離子的能耗分別為21.1kT 和24.6kT，與完善技術(shù)（如傳統(tǒng)反滲透脫鹽）相比，已具有規(guī)模化應(yīng)用的希望。Han等[34]制備的MoS2/石墨烯雜化電極大多為中孔結(jié)構(gòu)，可降低轉(zhuǎn)移阻力并提供優(yōu)異的離子轉(zhuǎn)移通道，有效地提高電極對NaCl 的體積吸附容量（14.3mg/cm3），在1.2V 電壓下對100mg/L NaCl 溶液的處理顯示出50次CDI循環(huán)穩(wěn)定性，并且該電極在低濃度水溶液中對Cu2+、Pb2+等重金屬的去除率可達(dá)90%以上。Tian 等[35]合成的MoS2/石墨氮化碳復(fù)合材料中雜原子N可以提高其電荷轉(zhuǎn)移能力和潤濕性，電極能耗為50.498W·h/m3。MoS2/石墨氮化碳同時(shí)存在微孔和中孔，比表面積和總孔體積分別為174.26m2/g和0.187cm3/g，遠(yuǎn)大于石墨氮化碳（32.81m2/g 和0.069cm3/g）和MoS2（67.61m2/g 和0.066cm3/g），較大的比表面積和孔體積提供了更多的離子吸附位點(diǎn)，并且豐富的負(fù)電荷使雙電層可吸引更多帶正電的Na+，使該電極最大電吸附容量可達(dá)24.5mg/g，至少在10個吸附-解吸循環(huán)中具有很高的穩(wěn)定性。

表1歸納對比了近幾年MoS2基電極材料的脫鹽性能。與原始MoS2相比，改性MoS2電極和MoS2雜化電極在較低電壓下（0.8～1.6V），比電容、電吸附容量、離子去除能力均有明顯提高。總之，MoS2及其復(fù)合材料作為CDI電極可提高電吸附能力，使CDI系統(tǒng)適用于各種濃度的鹽水，并且MoS2基材料的電化學(xué)穩(wěn)定性確保其具有良好的再生性，高體積吸附容量的MoS2基電極材料為CDI 設(shè)備的小型化開辟了新的途徑。

表1 MoS2基電極材料的脫鹽性能

1.2 膜脫鹽

膜脫鹽是利用半透膜將溶液中不同組分進(jìn)行分離、濃縮和純化的過程，主要包括反滲透（RO）、納濾（NF）、正滲透（FO）等膜分離技術(shù)。由于沒有官能團(tuán)，堆疊MoS2納米片形成的薄膜具有相對光滑和剛性的納米通道[36]，可降低水分子通過納米孔的運(yùn)輸阻力[37]，且相鄰MoS2納米片之間的范德華力和水合作用力可以保持MoS2薄膜的穩(wěn)定性。MoS2基復(fù)合材料已被證明可用作高性能膜，還可用于修飾商業(yè)半透膜進(jìn)一步提高其脫鹽性能，降低生產(chǎn)清潔淡水的能耗和成本。目前對MoS2基薄膜的研究尚處于理論驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)室研究階段，薄膜尺寸大多為厘米級水平。對膜脫鹽性能的評估是通過收集滲透液體積計(jì)算薄膜水通量，通過電導(dǎo)儀測定鹽濃度計(jì)算鹽離子截留率。

1.2.1 反滲透（RO）脫鹽

目前，RO是應(yīng)用最廣泛的膜脫鹽工藝。RO脫鹽是將半透膜置于海水和純水之間，在海水側(cè)施加壓力促進(jìn)水通過離子排斥膜[圖1(a)][38]。傳統(tǒng)RO 脫鹽能源需求和經(jīng)濟(jì)成本較高，材料主要為基于聚酰胺的復(fù)合材料薄膜（TFC），表面易結(jié)垢不利于循環(huán)使用[39]，因此探索新的RO 脫鹽材料成為研究重點(diǎn)。近幾年研究發(fā)現(xiàn)MoS2基薄膜具有優(yōu)異的脫鹽性能，可降低傳統(tǒng)RO脫鹽的能耗和成本，并在一定程度緩解膜結(jié)垢問題。

固有缺陷的MoS2是滲水和除鹽的起點(diǎn)，但缺陷孔徑太小無法通過水分子，若將所需直徑的納米孔以可控的方式引入單層MoS2薄膜中，則可實(shí)現(xiàn)有效透水，并隨著納米孔直徑接近水合離子大小，納米多孔膜可攔截各種類型離子，實(shí)現(xiàn)高效脫鹽。單層MoS2膜的厚度約為1.0nm[40]，楊氏模量為(270±100)GPa，與鋼相當(dāng)，但遠(yuǎn)低于石墨烯（約1TPa）[41]，因此MoS2薄膜對機(jī)械應(yīng)變較石墨烯敏感。Li等[42]通過分子模擬在單層MoS2薄膜引入機(jī)械應(yīng)變，形成尺寸可調(diào)的納米孔，如圖1(b)所示[42]，當(dāng)除去Mo原子周圍6個S原子形成開孔時(shí)，納米孔邊緣的Mo 原子帶正電，對陽離子具有較高的庫侖阻力。空間效應(yīng)和靜電效應(yīng)的協(xié)同作用有效地阻止離子通過單層MoS2薄膜。此外，連接納米孔內(nèi)外水分子的單鏈氫鍵大大降低了納米孔對水分子的能壘，提高了薄膜水通量[圖1(c)][43]。

圖1 MoS2單層膜在RO中的模擬

鹽離子的排斥主要取決于納米孔尺寸，但水通量除了受孔徑影響外，還取決于納米孔結(jié)構(gòu)。Mo 原子周圍水接觸角接近于0[44]，具有強(qiáng)親水性，在所有孔邊緣類型中[Mo孔、S孔和混合孔，圖1(d)]，Mo孔透水性最佳，其次是混合孔，S孔最差。如圖1(e)所示，Mo孔在入口處有一個帶有疏水S位的收縮中心，而S 孔具有一個膨脹中心，在Mo 孔情況下，水分子在孔邊緣的S疏水位點(diǎn)滑動并被孔中心的Mo 親水位點(diǎn)吸引，疏水和親水位點(diǎn)的排列以及孔的圓錐形形狀可增加水通量[38]。Kou 等[43]模擬了僅有混合孔的MoS2單層膜，發(fā)現(xiàn)水通量隨孔徑增大而增加，但由于折中效應(yīng)，大孔對鹽離子的截留率非常低，模擬結(jié)果顯示直徑為0.74nm 的孔賦予單層MoS2膜適當(dāng)?shù)耐杆院屯昝赖某}性能，透水率比商業(yè)RO膜材料大2～5個數(shù)量級[38]。

上述研究大多處于理論驗(yàn)證階段，將其轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)階段尚存在一些重大的技術(shù)難題，包括制備大面積單層MoS2薄膜以及在膜上生成尺寸和類型可控的納米孔。如圖2(a)～(c)所示[45]，Li等[45]通過化學(xué)氣相沉積在聚醚砜膜基材上形成的二維MoS2層狀膜具有厚度均勻（約7nm 厚）且連續(xù)的MoS2層，該膜的納米孔和層間范德華間隙可輕松通過水分子，而水合離子因尺寸較大被有效排斥[圖2(d)]。Zhang等[46]通過一種高效的多酚輔助TMDs 水性剝離方法制備了單寧酸（TA）功能化的MoS2納米片（TAMoS2），TA 的多酚基團(tuán)與水存在較強(qiáng)的偶極-偶極相互作用，增強(qiáng)了膜的親水性，有助于膜對水分子的長距離吸引，當(dāng)在MoS2中摻入1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的TAMoS2時(shí)，該雜化膜在靜態(tài)擴(kuò)散條件下具有約32L/(m2·h)的水通量和超過97%的陽離子截留率。目前實(shí)驗(yàn)合成的MoS2膜大多為多層膜，并且無法調(diào)控納米孔的類型和尺寸。

除了用MoS2直接制備RO膜外，還可將其用于修飾商業(yè)RO膜以提高脫鹽性能。將二維納米材料摻入復(fù)合材料薄膜（TFC）的聚酰胺層可提高膜的分離性能[47]。Li 等[48]將MoS2納米片作為填料對TFC進(jìn)行原位改性制備了滲透率高、選擇性強(qiáng)且耐污的納米復(fù)合薄膜（TFN）[圖2(e)]。與TFC相比，TFN中MoS2納米片的親水位點(diǎn)增加了水通量，帶負(fù)電MoS2的靜電排斥和膜基質(zhì)的篩分效應(yīng)為鹽離子構(gòu)建了屏障。當(dāng)有機(jī)相中的MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)，TFN 水通量[92.9L/(m2·h)]是TFC 的1.2 倍，且脫鹽率高達(dá)98.6%。TFN 優(yōu)異的防污性能歸因于以下兩點(diǎn)：①TFN 表面帶負(fù)電的MoS2納米片與牛血清白蛋白發(fā)生靜電排斥；②相對平坦的膜表面不利于污垢附著。

1.2.2 納濾（NF）脫鹽

NF 又稱低壓反滲透，是介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動工藝。納濾膜的水通量高并對多價(jià)離子和分子量大于200的有機(jī)化合物具有較高的截留率，運(yùn)行壓力和經(jīng)濟(jì)成本較低[49-50]，但是納濾膜對鹽離子截留率不高，因此探索新的膜材料和膜構(gòu)建方法仍需要不斷發(fā)展。

圖2 MoS2在RO中的應(yīng)用

如圖3(a)所示，Zhang等[51]在陶瓷中空纖維上構(gòu)建的MoS2復(fù)合膜具有出色的納濾性能和優(yōu)異的穩(wěn)定性，聚乙烯亞胺（PEI）增強(qiáng)了相鄰MoS2納米片以及MoS2層和基材間的界面黏合力，形成緊密整齊的分離層[圖3(b)]。PEI使膜表面親水且?guī)д?，從而使?fù)合膜具有出色的脫鹽性能，對重金屬離子（Cu2+、Zn2+、Mn2+、Ni2+）具有大于90%的高截留率，可在脫鹽的同時(shí)去除重金屬，提高清潔水水質(zhì)。但陶瓷在大規(guī)模應(yīng)用中成本昂貴。Hirunpin等[52]發(fā)現(xiàn)MoS2薄膜功能化引起的界面電荷變化可調(diào)節(jié)膜的納濾性能。通過聚偏二氟乙烯（PVDF）支撐膜抽濾形成的MoS2薄膜具有層狀結(jié)構(gòu)[圖3(c)]。如圖3(d)所示，該層狀膜經(jīng)陽離子染料結(jié)晶紫或陰離子染料日落黃官能化后，膜表面的靜電排斥效應(yīng)降低了Na+/Cl-的滲透性，水通量提高至GO膜的5倍。

1.2.3 正滲透（FO）脫鹽

FO 是以膜兩側(cè)的滲透壓差為驅(qū)動力自發(fā)實(shí)現(xiàn)水傳遞的分離過程。FO 技術(shù)推廣的障礙是缺乏具有高透水性、高溶質(zhì)截留率、優(yōu)異防污性能和良好穩(wěn)定性的膜[53]。內(nèi)部濃度極化（ICP）和膜結(jié)垢是限制FO膜性能的主要因素[54]。

經(jīng)MoS2改性后，F(xiàn)O 膜的親水性和高孔隙率有利于降低ICP問題，并且MoS2的共軛結(jié)構(gòu)可緩解膜結(jié)垢問題[55]。如圖4(a)所示，Li 等[56]通過MoS2逐層沉積制備了改性FO 膜，在圖4(b)中，MoS2被涂覆在FO 膜表面，整個膜材料相對較薄（約180μm），活性層厚約45μm。MoS2的負(fù)載賦予FO 膜更高的孔隙率和平均孔徑，表現(xiàn)出更高的水通量和更低的反向溶質(zhì)擴(kuò)散，可實(shí)現(xiàn)27.15L/(m2·h)的跨膜水通量（比市售聚醚砜FO膜高35.34%）和16.42g/(m2·h)的鹽離子反向通量（比空白FO 膜減少35.91%）。改性后的FO 膜表面由粗糙變得平滑，有效地緩解了結(jié)垢問題。此外，膜表面與污染物形成的結(jié)合鍵極易被流水清除，不會堵塞微孔，提高了對膜表面污垢的液壓清潔效率。

圖4 MoS2在FO中的應(yīng)用［56］

1.3 太陽能脫鹽

太陽能脫鹽通過光熱材料將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱海水/咸水實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)脫鹽獲取淡水。與CDI 和膜脫鹽相比，太陽能脫鹽不易受水質(zhì)影響，并且由于減少常規(guī)能源（化石燃料和天然氣等）的消耗而降低生產(chǎn)成本。幾乎所有無機(jī)光熱材料的折射率都大于2，光反射率大于11%[57-58]，所以太陽能蒸發(fā)器通常設(shè)計(jì)為粗糙多孔結(jié)構(gòu)來降低折射和反射光損失[59]。材料界面的光作用效果及太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)分類情況如圖5 所示。此外，如圖5(a)所示，與平滑表面相比，粗糙多孔結(jié)構(gòu)能有效地降低對入射光角度的依賴，并在孔道中實(shí)現(xiàn)多重內(nèi)反射提高蒸發(fā)器吸光性能[57,61]。為避免傳導(dǎo)、對流或輻射產(chǎn)生的系統(tǒng)性熱損失[圖5(b)]，太陽能蒸發(fā)器必須能夠進(jìn)行有效光吸收和高效光熱轉(zhuǎn)換，并通過降低材料導(dǎo)熱性或者添加外部隔熱材料/組件等方法將熱量有效地傳遞到液-氣相變過程[63]。MoS2的聲子平均自由程較短，比石墨烯和GO 具有更低的導(dǎo)熱性，有利于局部熱效應(yīng)[64]。另外，MoS2具有出色的光吸收率和優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化性能，是太陽能脫鹽的理想材料。如圖5(c)所示，太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)分為界面蒸發(fā)系統(tǒng)和體積蒸發(fā)系統(tǒng)。目前，界面系統(tǒng)的MoS2基蒸發(fā)器尺寸為厘米級水平，體積系統(tǒng)的MoS2基材料尺寸為納米水平，均處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。在進(jìn)行脫鹽實(shí)驗(yàn)時(shí)，將蒸發(fā)器置于燒杯或培養(yǎng)皿中，以氙氣燈為光源，在室溫下通過電子天平和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄水質(zhì)量變化，并計(jì)算相應(yīng)的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率。

1.3.1 界面蒸發(fā)系統(tǒng)

界面蒸發(fā)系統(tǒng)是將光熱轉(zhuǎn)換限制在液-氣界面處，液相側(cè)非常薄的水分子因具有高能態(tài)而發(fā)生液-氣相變產(chǎn)生水蒸氣[65]，僅界面水被加熱，大幅減少向非蒸發(fā)部分的熱損失。界面蒸發(fā)系統(tǒng)可分為直接接觸、間接接觸、隔離（密閉水路）和完全隔離（儲水）系統(tǒng)[圖5(c)]。MoS2基蒸發(fā)器在界面蒸發(fā)系統(tǒng)中按其存在形態(tài)主要分為3 種：①光熱薄膜[66-67]；②負(fù)載MoS2到低密度基質(zhì)上，形成自浮式雙層結(jié)構(gòu)[68-69]；③氣凝膠[70-71]。

圖5 材料界面的光作用效果及太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)分類

（1）光熱薄膜 MoS2基光熱薄膜通常用于直接接觸系統(tǒng)，為了減少膜的生物或膠體結(jié)垢，通常使用低粗糙度的親水膜表面[72]；為了提高蒸發(fā)效率，通常將膜設(shè)計(jì)為納米多孔結(jié)構(gòu)以提供蒸汽通道并在孔道內(nèi)實(shí)現(xiàn)多重反射[73]。Yang 等[66]制備的MoS2/碳納米管復(fù)合多孔光熱薄膜（厚約120nm），協(xié)同MoS2優(yōu)異的光吸收性能和碳納米管高機(jī)械強(qiáng)度，如圖6所示，MoS2納米片在單壁碳納米管表面相互連接組成連續(xù)均勻的MoS2層，形成的二維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有利于蒸汽快速傳輸，并且較低的導(dǎo)熱性[0.06W/(m·K)]可減少熱傳導(dǎo)損失，使其在5kW/m2光照下，蒸發(fā)效率達(dá)到91.5%，蒸發(fā)通量在大氣條件下可達(dá)6.6kg/(m2·h)，在真空條件下高達(dá)15.6kg/(m2·h)。常宇虹[67]在玻璃纖維布上生長MoS2納米片形成疏松多孔的MoS2基光熱薄膜具有柔韌性和穩(wěn)定性，可根據(jù)需求裁剪為任意形狀，在1kW/m2光照下水蒸發(fā)速率為1.85kg/(m2·h)，蒸發(fā)效率達(dá)到94%，在15次循環(huán)后仍能保持穩(wěn)定的蒸發(fā)速率，并且不受水質(zhì)影響。

圖6 SWNT-MoS2膜的照片、蒸汽生成原理及其SEM、TEM圖［66］

（2）雙層結(jié)構(gòu) 上層蒸發(fā)層用于吸收太陽光并進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，下層通常為耐高溫且具有極低熱導(dǎo)率的材料作為保溫層實(shí)現(xiàn)熱定位。通過簡單的頂裝備料工藝將MoS2基材料置于聚氨酯海綿（PU）、聚苯乙烯和聚乙烯泡沫等低密度基質(zhì)上形成自浮式雙層結(jié)構(gòu)。雙層結(jié)構(gòu)根據(jù)水傳輸路徑的不同可用于間接接觸、隔離和完全隔離系統(tǒng)。

在間接接觸系統(tǒng)中，親水底層除了作為保溫層外，還通過毛細(xì)作用穩(wěn)定地為蒸發(fā)層提供水源，底層的潤濕性對蒸發(fā)效率有較大影響[74]。如圖7(a)所示，MoS2通過靜電作用嵌入3D 多孔PU 海綿（MPU）作為蒸發(fā)層，親水性聚多巴胺（PDA）改性PU 海綿（PPU）作為隔熱層和水泵，形成的MoS2基三維（3D）蒸發(fā)器在1.0kW/m2的低照度下具有86.2%的高蒸發(fā)效率，在更高的光照下（1.5～2.5kW/m2），蒸發(fā)效率超過90%[68]。

隔離系統(tǒng)中，蒸發(fā)層為平面或立體結(jié)構(gòu)，一般以聚苯乙烯或聚乙烯泡沫為支撐層，由于泡沫的閉孔結(jié)構(gòu)無法用于水傳輸，需要與親水材料（無塵紙等）聯(lián)用。如圖7(b)所示，將無塵紙包裹在泡沫外形成2D 密閉水傳輸路徑，泡沫和無塵紙分別充當(dāng)隔熱層和水泵的作用。Guo 等[69]通過水熱法自生長MoS2到棉布基質(zhì)（CC），并用聚乙二醇（PEG）改善親水性，形成的PMoS2-CC 復(fù)合材料具有良好透氣性和親水性，將其置于無塵紙包裹的聚苯乙烯泡沫上，形成的雙層結(jié)構(gòu)在1～5kW/m2的光照下可實(shí)現(xiàn)(80.5%～90%)±3.5%的蒸發(fā)效率。如圖7(c)所示，另一種MoS2基蒸發(fā)器MSE 的頂層由MoS2懸浮液抽濾到無塵紙形成，底層為無塵紙包裹的聚乙烯泡沫，MSE 在高效蒸發(fā)水的同時(shí)能有效去除色氨酸和腐殖酸類有機(jī)污染物，提高出水水質(zhì)[76]。另外，在太陽能輔助制備的多孔網(wǎng)絡(luò)2H-MoS2凹膜下添加支撐層也可形成2D 密閉水路，在圖8(a)中，真空抽濾形成的2H-MoS2層狀薄膜在光照條件下，因水蒸發(fā)速率加快導(dǎo)致片層破壞形成的凹陷表面和疏松多孔結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)光的有效吸收，使凹膜顯示出優(yōu)異的蒸發(fā)通量[(1.68±0.08)kg/(m2·h)，1kW/m2]，蒸發(fā)效率在1kW/m2和3kW/m2光照下分別達(dá)到83.8%±0.8%和91.5%±1.1%，且該蒸發(fā)器能夠捕獲超過99.9%的重金屬離子，即使在極限pH（pH 為1～3和10～12）下也能穩(wěn)定運(yùn)行[77]。

圖7 太陽能脫鹽設(shè)備

圖8 太陽能蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)表征

當(dāng)蒸發(fā)層為立體結(jié)構(gòu)時(shí)，蒸發(fā)器可用于隔離或完全隔離系統(tǒng)。在隔離系統(tǒng)中，將3D 蒸發(fā)層完全暴露在空氣中，增加的側(cè)壁蒸發(fā)面可提高蒸發(fā)效率；在完全隔離系統(tǒng)中，將3D 蒸發(fā)層作為儲水器不與流體接觸可實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的隔熱效果，能進(jìn)一步提高蒸發(fā)性能。如圖8(b)所示，Li 等[78]將MoS2/C 微珠附著在PU 海綿上制備的3D 蒸發(fā)層MoS2/C@PU 中，MoS2/C 微珠緊密均勻地錨固在PU 表面。該蒸發(fā)層在隔離系統(tǒng)暴露側(cè)壁蒸發(fā)面時(shí)蒸發(fā)速率達(dá)到1.58kg/(m2·h)（1kW/m2光照），比將MoS2/C@PU 直接放置水中提高了60%。若將MoS2/C@PU 作為儲水器（完全隔離系統(tǒng)）進(jìn)一步減少底部接觸熱損失，蒸發(fā)速率提高到1.68kg/(m2·h)。將圓柱形MoS2/C@PU裁剪為齒輪狀后蒸發(fā)面進(jìn)一步增大，在隔離和完全隔離系統(tǒng)中蒸發(fā)速率分別增至1.84kg/(m2·h)和1.95kg/(m2·h)，分 別 比 裁 剪 前 提 高16.5% 和16.1%。將該蒸發(fā)器用于處理天然河水時(shí)，除了降低水堿度和硬度外，還具備消毒功能。此外，MoS2中的富硫原子能有效吸附水體中的汞，將重金屬汞含量降至可飲用水平。

（3）氣凝膠 氣凝膠是MoS2基蒸發(fā)器的另一種形態(tài)，多用于直接接觸系統(tǒng)。如[圖8(c)]所示，Wang等[70]以殼聚糖為骨架，以戊二醛為交聯(lián)劑制備的單層MoS2氣凝膠具有高機(jī)械強(qiáng)度和高孔隙率，熱導(dǎo)率在室溫下約為0.37W/(m·K)，有利于減少熱損失，在1kW/m2的低輻照下蒸發(fā)速率[1.3554kg/(m2·h)]約為純水的5.3 倍，冷凝水中的Na+和Cl-濃度分別達(dá)到1.3mg/L 和6.9mg/L，遠(yuǎn)低于WHO 的標(biāo)準(zhǔn)。除單層氣凝膠外，Ghim 等[71]通過新型自下而上的生物制造工藝，在細(xì)菌納米纖維素（BNC）生長過程中加入化學(xué)剝離MoS2合成ce-MoS2/BNC 雙層氣凝膠，該雙層氣凝膠在0.76kW/m2和5.35kW/m2光照下蒸發(fā)效率分別為76%和81%，并且ce-MoS2的低細(xì)胞毒性降低了蒸發(fā)器的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

這3 種形態(tài)的MoS2基蒸發(fā)器均采用“氣-液界面光熱轉(zhuǎn)化”低能耗綠色工藝，均具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，回收的冷凝水達(dá)到世界衛(wèi)生組織（WHO）規(guī)定的飲用水安全標(biāo)準(zhǔn)。MoS2基蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率隨光照強(qiáng)度的增加而增加，并且部分蒸發(fā)器能有效去除水體中的有機(jī)物和重金屬離子，提高出水水質(zhì)。這些蒸發(fā)器的輔助材料通常為海綿、泡沫、無塵紙、棉布等低成本材料，并且無需外部泵等機(jī)械組件，幾乎不需要維護(hù)，在小規(guī)模和分布式操作的應(yīng)用中具有突出優(yōu)勢。

1.3.2 體積蒸發(fā)系統(tǒng)

體積蒸發(fā)系統(tǒng)通過分散在工作流體中的納米材料吸收太陽能進(jìn)行光熱蒸發(fā)。太陽能吸收器吸收光子能量產(chǎn)生的大量微熱源通過熱傳導(dǎo)與液體介質(zhì)達(dá)到平衡。Wang 等[79]將MoS2與磁性物質(zhì)聯(lián)用，克服MoS2在水溶液中的分散性差和不易回收的缺陷，避免材料浪費(fèi)和環(huán)境污染。在聚多巴胺功能化的MoS2納米片上原位生長納米Fe3O4，形成的磁性納米顆粒在水溶液中能夠長期穩(wěn)定分散。粗糙表面有助于提高磁性MoS2納米片的吸光性能，使其對太陽光的吸收能力達(dá)到96%的超高水平。隨著光照強(qiáng)度從1kW/m2增加到2.5kW/m2，該體積蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)速率從1.0kg/(m2·h)增加到3.2kg/(m2·h)，相應(yīng)的蒸發(fā)效率從62.5%增加到79.2%。

表2歸納了近幾年MoS2太陽能蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能。由表2可見，MoS2基光熱材料均具有優(yōu)異的光吸收性能和水蒸發(fā)速率。在界面蒸發(fā)系統(tǒng)中，MoS2基蒸發(fā)器將轉(zhuǎn)換的熱能限制在界面，僅加熱表面水分子，蒸發(fā)效率較高；但在體積蒸發(fā)系統(tǒng)中，液體介質(zhì)不可避免地被磁性MoS2納米顆粒加熱，該蒸發(fā)系統(tǒng)由于易受到輻射，傳導(dǎo)和對流的熱損失，在相同光照條件下遠(yuǎn)低于大多數(shù)界面蒸發(fā)系統(tǒng)的蒸發(fā)效率。

2 前景展望

MoS2基脫鹽材料在脫鹽性能、環(huán)境影響、能源需求、技術(shù)要求、生產(chǎn)成本和循環(huán)性能等方面均展現(xiàn)巨大優(yōu)勢。MoS2基材料大幅提高了傳統(tǒng)方法的脫鹽性能并降低了脫鹽工藝對環(huán)境和人類健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)，有望為人類提供高質(zhì)量清潔水，從而緩解淡水資源短缺問題。但是對MoS2基脫鹽材料的研究尚處于實(shí)驗(yàn)室水平，將這些實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的技術(shù)轉(zhuǎn)換為商業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，仍面臨著一些挑戰(zhàn)。

目前，MoS2電容去離子法主要研究將MoS2或改性MoS2材料作為CDI 電極材料以提高電吸附能力，但關(guān)于MoS2基電極材料改性機(jī)理以及離子電遷移過程中水力條件對脫鹽能力的影響等理論研究還有待加強(qiáng)。MoS2膜脫鹽法尚存在無法制備大面積單層MoS2薄膜、無法實(shí)現(xiàn)膜上納米孔尺寸類型可調(diào)等問題，離實(shí)際應(yīng)用仍有一段差距。但是，對厘米級高結(jié)晶度MoS2薄膜的研究為制備大面積單層MoS2薄膜提供了希望，此外在薄膜的支撐材料引入機(jī)械應(yīng)變或通過電子束和電流等誘導(dǎo)薄膜產(chǎn)生空位或納米孔，為精準(zhǔn)可控地調(diào)節(jié)膜表面納米孔尺寸和形狀提供了可能。在MoS2太陽能脫鹽中，如何提高M(jìn)oS2基光熱材料在低照度（1kW/m2）下的脫鹽性能是目前研究的重點(diǎn)，此外，如何有效地冷凝和收集氣化水以及防止鹽和其他溶質(zhì)在蒸發(fā)器表面或孔隙中的沉積仍是該方法實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用面臨的巨大挑戰(zhàn)。因MoS2具有優(yōu)異的重金屬絡(luò)合能力、光催化降解能力，將MoS2基脫鹽系統(tǒng)應(yīng)用于光催化、廢水處理和能源生產(chǎn)等領(lǐng)域在未來值得深入探討。

表2 MoS2基太陽能蒸發(fā)器的水蒸發(fā)性能

3 結(jié)語

MoS2基脫鹽材料在電容去離子、膜脫鹽和太陽能脫鹽中具有很好的應(yīng)用前景，并取得了一定進(jìn)展。在電容去離子中，通過改善MoS2的親水性、增加表面負(fù)電荷或?qū)oS2與碳基材料協(xié)同克服儲能缺陷，可提高M(jìn)oS2基電極材料的脫鹽性能，為CDI 設(shè)備的小型化開辟了新的途徑；在膜脫鹽中，MoS2納米多孔膜具有高水通量和鹽離子截留率，將MoS2用于膜修飾時(shí)可以在大幅提高商業(yè)半透膜脫鹽性能的同時(shí)降低脫鹽成本，并在一定程度上緩解膜結(jié)垢問題；在太陽能脫鹽中，由可再生清潔能源太陽能驅(qū)動的蒸發(fā)脫鹽成本較低且不易受水源水質(zhì)影響，并且優(yōu)異的光吸收和光熱轉(zhuǎn)換性能使MoS2基蒸發(fā)器在界面蒸發(fā)系統(tǒng)和體積蒸發(fā)系統(tǒng)中均具有較高的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率。MoS2基脫鹽材料均具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，并且一些MoS2基脫鹽材料在進(jìn)行高效脫鹽的同時(shí)能夠去除重金屬和有機(jī)污染物，在極限pH 環(huán)境中也能穩(wěn)定運(yùn)行，有利于處理更復(fù)雜水體并提高出水水質(zhì)。本綜述在分析MoS2材料在脫鹽中研究現(xiàn)狀的同時(shí)，也提出了未來需要關(guān)注及發(fā)展的方向，對MoS2基納米材料及脫鹽技術(shù)的發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。