太阳能蒸发方式包括底部加热、整体加热和界面加热等方式［11-12］。由于底部加热与整体加热要加热全部水，太阳能在蒸发前就被水体消耗，所以太阳能的利用率非常低。界面加热方式可以更好地把太阳能转化为热能，并将热能集中于水表面，从而达到更高效的水蒸发速率和水蒸发效率。太阳能热转化技术日渐成熟，已广泛应用在生活中各个领域（如家用供暖［13］、海水淡化［14］、太阳能发电［15］等）。由于太阳能辐射是唯一动力输入，所以要求材料具有高效的光热转换效率。近年来国内外学者研究了大量光热转换材料，如金属纳米粒子［16］、无机半导体材料［17］、碳基材料［18］、聚合物材料［19］等。其中，无机半导体材料因性能优异、制备简单且价格低廉而备受关注。
二硫化钼（molybdenum disulfide，MoS2）是一种层状过渡金属硫化物，Mo-S-Mo之间为高强度的共价键，层与层之间为范德华力［20］。MoS2可吸收可见光和紫外光，广泛应用于新能源及光催化领域［21-22］。聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）海绵是一种亲水的低密度高分子多孔材料，具有良好的柔韧性、热稳定性、丰富的孔洞结构、较低的导热系数与较高的太阳能利用率［23］。本文采取一锅法制备聚乙烯醇负载二硫化钼（polyvinyl alcohol sponge loaded with molybdenum disulfide，MoS2/PVA）光热海绵，并应用于太阳能驱动界面水蒸发。研究了MoS2的用量对MoS2/PVA海绵的光吸收性能、光热性能以及太阳能驱动界面水蒸发性能的影响。
1 实验部分
1.1 材料与仪器
材料：PVA（PVA-1799，阿拉丁试剂（上海）有限公司）；甲醛溶液（质量分数为37%~40%，国药集团化学试剂有限公司）；硫酸（质量分数为95%~98%，国药集团化学试剂有限公司）；聚氧亚甲基辛基酚醚（OP-10，质量分数为99%，上海麦克林生化科技有限公司）；L-半胱氨酸（质量分数为99%，上海麦克林生化科技有限公司）；钼酸钠（质量分数为99%，福晨化学试剂有限公司）。
仪器：JSM5510LV场发射扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）和能量色散X射线谱仪（energy dispersive X-ray spectrometer，EDS，德国蔡司）。Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪（Fourier transform infrared spectrometer，FTIR，美国赛默飞公司），扫描范围：400~4 000 cm-1。D8型X射线衍射仪（X-ray diffraction，XRD，德国布鲁克公司）。光学接触角测量仪（DS100型，德国KRUSS公司）。AM1G滤波器的太阳能氙灯模拟器（solar-600t，北京NBET科技有限公司）。
1.2 MoS2纳米片的制备
称0.206 g钼酸钠与0.242 g L-半胱氨酸，超声溶于15 mL水中。将混合液加入水热釜中，180 ℃条件下反应24 h。冷却至室温后真空抽滤，用乙醇和去离子水分别清洗3遍，得到MoS2纳米片。最后将MoS2纳米片60 ℃干燥2 h，备用。
1.3 MoS2/PVA海绵的制备
MoS2/PVA海绵的制备过程如图1所示［24］。首先，将3 g PVA溶解在27 g去离子水中，在90 ℃下机械搅拌1 h。然后，在PVA溶液中加入一定量的MoS2、10 mL甲醛溶液和5 mL质量分数为30%的OP-10乳化剂。高速搅拌5 min后室温搅拌30 min，加入30 mL质量分数为50%的硫酸溶液，搅拌5 min发泡。将泡沫注入高度为70 mm、直径为24 mm的模具中，置于50 ℃鼓风干燥箱中固化3 h，得到MoS2/PVA海绵。用水洗涤MoS2/PVA海绵，除去未反应的物质，并在65 ℃真空干燥箱干燥24 h，备用。
1.4 仪器与表征方法
在环境温度（28±2） ℃、相对湿度（55±5）%的条件下，测试样品在氙灯模拟太阳光在1 kW/m2光强下的水分蒸发性能。利用红外热成像仪（FLIR ONE PRO）跟踪样品和周围区域的温度变化。由高精度电子天平（BSA 220-4）实时测量水体质量变化，利用式（1）计算水蒸发速率（[m]），式（2）计算水蒸发效率（[η]）［25］。
[m=ΔmAt] （1）
[η=mLv+QPin] （2）
式（1）~式（2）中：[Δm]（kg）为单位时间内水体质量变化；A（m2）为蒸发器的表面积；t（h）为光照时间；[Lv]（kJ/kg）为水的蒸发潜热；Q（kJ/kg）为单位质量水的显热；[Pin]（kW/m2）为太阳光辐照强度。利用式（2）计算η时，[m]需换算为以kg/（m2·s）单位。
2 结果与讨论
2.1 SEM分析
由图2（a，b）及图2（d，e）可知，PVA海绵与MoS2/PVA海绵都具有多孔结构，其形成原因为在海绵的制备过程中高速搅拌带入大量的空气形成气泡，同时表面活性剂降低了表面张力，形成了丰富的孔洞结构，从而使其拥有良好的水运输能力。对比图2（c）和图2（f）可知，MoS2纳米片负载在PVA海绵基体中。图2（g）为MoS2/PVA海绵的SEM图，在图2（g）中随机选取区域并采集EDS谱图［图2（h）］。由图2（h）可知，MoS2/PVA海绵中各元素质量分数为：C（77.19%）、O（21.67%）、S（0.76%）和Mo（0.38%），进一步证实了MoS2成功负载在海绵基体中。
2.2 FTIR分析
图3（a）为MoS2和MoS2/PVA海绵的FTIR图。MoS2在465和923 cm-1处的特征峰分别为Mo-S和Mo-O的伸缩振动吸收峰，Mo-O可能来源于MoS2合成过程中产生的副产物MoO3。PVA海绵在3 382、2 944、2 914、1 645、1 007 cm-1处的吸收峰分别为-OH的伸缩振动峰、C-H的伸缩振动峰、-CH2的不对称伸缩振动峰、O-H的弯曲振动峰，以及C-O的伸缩振动峰。1 171、1 132、1 066 cm-1处的吸收峰为C-O-C-O-C的缩醛特征吸收峰。MoS2/PVA海绵的FTIR谱图与PVA海绵类似，但-OH的伸缩振动峰强度减弱。
[10 20 30 40 50 60 70 80 90
2θ / （°）][相对强度]<G:\武汉工程大学\2024\第4期\刘媛媛-3-1.tif><G:\武汉工程大学\2024\第4期\刘媛媛-3-2.tif>[4 000 3 600 3 200 2 800 2 400 2 000 1 600 1 200 800 400
δ / cm-1][相对透过率][MoS2/PVA][PVA][MoS2][（b）][（a）][MoS2/PVA][PVA][MoS2][1 066][1 171][1 007][3 382][2 944][2 914][1 645][1 132]
图3 PVA和MoS2/PVA海绵的FTIR谱图（a）及XRD图（b）
Fig. 3 FTIR spectra （a） and XRD patterns （b） of
PVA sponge and MoS2/PVA sponge
2.3 XRD分析
图3（b）为样品的XRD图。MoS2/PVA海绵在19.1°处的峰为半结晶PVA的（101）衍射峰，在15.8°、33.2°和39.8°处出现的3个衍射峰分别对应MoS2的（002）、（103）和（110）晶面，说明MoS2成功负载于PVA海绵中。
2.4 亲疏水性分析
图4为PVA海绵与MoS2/PVA海绵表面的水接触角测试结果。图4（a）为PVA海绵快速吸收水的延时图，当5 μL水接触到PVA表面时，水滴在1 s内被吸收，表明PVA海绵具有优良的亲水和吸水性能。当PVA海绵负载MoS2后，由于MoS2具有一定的疏水性，海绵表面对水滴的吸收速度略有降低［图4（b）］。通过MoS2改性适当降低PVA海绵的亲水性，减少海绵在太阳能蒸发水的过程中，因高亲水性使海绵表面产生水膜而降低光转换效率。提高疏水性有利于维持较高的太阳能水蒸发效率。
<G:\武汉工程大学\2024\第4期\刘媛媛-4.tif>[（b）][（a）][0 s][0 s][10.60 s][0.60 s][0.84 s][14.36 s]
图4 PVA海绵（a）与MoS2/PVA海绵（b）表面水滴快速
吸收延时图
Fig. 4 Time lapse photos of rapid absorption of water
droplets on the surface PVA sponge （a） and
MoS2/PVA sponge （b）
2.5 水蒸发性能分析
为对比不同MoS2负载量的PVA海绵的界面太阳能水驱动蒸发性能，进行了氙灯模拟太阳光1 kW/m2光强下监测水体质量随时间的变化。并通过式（1）与式（2）计算不同MoS2负载量的MoS2/PVA海绵的水蒸发速率与水蒸发效率。图5（a）为模拟太阳光强辐射1 h后，不同MoS2负载量的海绵水蒸发速率曲线。与纯水蒸发速率相比，MoS2/PVA海绵在模拟太阳光照下对水的蒸发效果明显提高。其中，MoS2质量分数为7.5%的MoS2/PVA海绵具有最高的单位面积水体质量变化（1.37 kg/m2），是纯水质量变化（0.31 kg/m2）的4.42倍，优于其他MoS2/PVA海绵。此外，通过计算得出了稳态下各MoS2/PVA海绵的水蒸发速率与水蒸发效率。由图5（b）可知，随MoS2的质量分数由0增加至1.0%、2.5%、5%、7.5%和10.0%时，水蒸发速率分别为0.31、1.07、1.22、1.26、1.37和1.29 kg/（m2·h），水蒸发效率为20.8%、73.1%、82.8%、86.1%、93.1%和87.9%。水蒸发速率与水蒸发效率都呈现先增加后减少的趋势。MoS2质量分数为7.5%的MoS2/PVA海绵有最高的水蒸发速率和水蒸发效率。当MoS2的质量分数高于7.5%时，MoS2/PVA海绵的水蒸发速率和水蒸发效率降低。这可能是因为MoS2用量过高时，其在PVA海绵基体中的分散度降低，导致蒸发性能下降。
2.6 光热性能分析
通过记录氙灯模拟太阳光在1 kW/m2光强下MoS2的质量分数为7.5%的MoS2/PVA海绵与纯水温度变化来判断MoS2/PVA海绵的光热性能。图6（a）显示在1 kW/m2太阳能光强下，MoS2质量分数7.5%的MoS2/PVA海绵的表面温度显著提高。由图6（b）可知，在30~60 min稳态蒸发过程中，MoS2/PVA海绵的温度在升高后稳定在50 ℃左右，而纯水的温度稳定在38 ℃左右。这是因为MoS2为半导体材料，可被光子诱导激发电子产生电子空穴对，诱导电子弛豫，使材料有很好的光热性能。
3 结 论
本文首先合成MoS2，然后通过一锅法制备了MoS2/PVA光热材料。MoS2/PVA海绵具有丰富的孔洞结构、良好的亲水性能及优异的光热性能。在1 kW/m2太阳光强度下，MoS2质量分数为7.5%的MoS2/PVA海绵的蒸发速率［1.37 kg/（m2·h）］约为纯水蒸发速率［0.31 kg/（m2·h）］的4.42倍。此时，MoS2/PVA海绵的最大水蒸发效率为93.1%。本文制备的MoS2/PVA海绵具有成本低廉、制备方法简单、蒸发速率高等优点，在海水淡化及废水处理等领域有潜在应用前景。