各向异性脱木质素木材/Ti3C2Tx/MXene气凝胶复合材料在稳定高效太阳能海水淡化中的应用

张志航|郑瑞娜|彭申宇|凌思琪|林宇
中国华东科技大学材料科学与工程学院先进聚合物材料上海重点实验室，上海200237

**摘要**
太阳能驱动的水蒸发是一种有前景的淡水获取方法。然而，能量转换效率低和耐用性有限严重限制了其更广泛的实际应用。在本研究中，采用自上而下的策略制备了一种基于纤维素的脱木质素木材（DW）气凝胶，并通过涂覆具有光热转换特性的二维层状Ti3C2Tx（MXene）纳米颗粒来制备DW-MX界面太阳能蒸发器。DW中排列有序的多孔通道实现了高效的毛细驱动水传输，而具有优异光热和光吸收特性的MXene纳米片提供了增强的光热转换和热量集中效应。虽然传统太阳能蒸发器的蒸发速率通常为1.0~1.3 kg m-2 h-1，但制备的DW-MX蒸发器在单日照条件下可以实现1.54 kg m-2 h-1的蒸发速率和86.5%的转换效率，远高于未经处理的盐水（0.31 kg m-2 h-1），并且在酸性和有机环境中都能保持稳定的蒸发性能。DW-MX蒸发器的制备采用了一种简单且可扩展的方法，无需复杂的工艺，显示出在海水淡化和废水处理应用中的巨大潜力。需要进一步研究其长期运行稳定性和在更复杂条件下的表现，以全面评估该系统的实际可行性。

**引言**
地球上的淡水资源非常有限，特别是在城市和资源分布不均的偏远农村地区[1][2][3]。淡水供应不足无法满足日常生活和工业活动的需求，因此从多种来源获取淡水以补偿其不可再生性是一个反复出现的挑战。海洋水的巨大储量使得海水淡化成为解决资源短缺问题的最佳方案[4]。尽管已经有很多关于离子交换、反渗透和蒸馏等成熟淡化方法的研究[1]，但它们的高成本、低效率和有限的耐用性阻碍了其更广泛的实际应用。因此，探索一种低能耗、经济且可持续的海水淡化方法至关重要，以供长期使用。

太阳能驱动的水蒸发作为一种利用太阳能进行淡水获取和水净化技术，展现出了缓解全球水资源短缺的巨大潜力[5]。然而，传统蒸发系统存在光吸收效率低和蒸汽生成速率低的问题[6][7]。通过优化光热材料、蒸发器结构设计和水活化策略，蒸发速率和能源效率都得到了显著提高[8]。最近在光热材料方面的进步，包括具有表面等离子体共振特性的半导体[9][10][11][12]、碳基材料[13][14][15][16]以及聚合物[4][18][19]，已被用作提高太阳能驱动水蒸发系统性能的光热剂。光热剂的形式对蒸发特性有重要影响。如果光热剂仅分散在海水中，吸收的太阳能的转化和利用效率会很低，导致蒸发速率不佳[20]。因此，主要的研究方向在于如何通过结构设计调节光热剂的形式，以实现高效的太阳能驱动水蒸发[21][22][23][24][25]。

最近的研究强调了层次化多孔结构和界面工程在提高太阳能驱动蒸发性能方面的作用[26][27][28]。当前的研究主要集中在使用新型界面太阳能蒸发器上，这被认为是实现快速蒸发和高光热转换效率的可靠方法[29][30][31]。这些蒸发器通常由两部分组成：具有强光吸收能力的光热层和导热性低的基底。常用的亲水性基底是基于纤维素的膜或气凝胶[17][32][33]。Liu等人[34]使用丰富且成本低廉的亲水性气流成纸作为金纳米粒子薄膜的基底，提供了机械稳定性和可回收性。然而，由于气流成纸的薄度，其抑制热传递的能力较弱，导致蒸发效率较低（77.8%）。Wang等人[35]在纤维素纳米纤维（CNF）膜上沉积三氧化钛，制造出一种提高了蒸发效率的蒸发器，但蒸发速率仍然较低（1.32 kg m-2 h-1）。通过用足够厚的气凝胶替换膜可以减少热量散发。Li等人[10]开发了一种CNF/聚乳酸/聚苯胺混合气凝胶，实现了高达1.58 kg m-2 h-1的蒸发速率。然而，各向同性多孔结构中的盐分积累仍然是海水淡化长期应用的一个关键限制。此外，盐离子和水分子之间的强水合作用会降低蒸发速率[36]。因此，解决太阳能驱动水处理中的盐分问题是提高蒸发器性能的关键，同时保持高蒸发效率和有效抑制盐分积累的能力在可持续水处理技术中仍是一个巨大挑战。值得注意的是，Wang等人[37]从化学反应平衡的角度设计了Dyson球形蒸发器。这种策略不仅仅旨在将所有光能用于直接蒸发，而是将部分光能转化为自发的内部对流，以加速蒸汽扩散，虽然牺牲了36%的光能输入，但使蒸发速率翻倍。这表明，在下一代蒸发器设计中，高效去除蒸汽产物和能量利用之间的微妙平衡可能成为一个核心考虑因素。

脱木质素木材（DW）气凝胶同时具有亲水性和低导热性，这在聚合物气凝胶中难以同时实现[11]。天然木材的垂直通道允许水自然向上传输，其层次化多孔结构（大容器通道、胞腔、射线胞等）有助于产生盐度梯度，促进通道间的盐分交换，从而实现稀释。低导热性的木材有助于将热量集中在蒸发器顶部，从而提高蒸发速率。结构的各向异性提供了机械强度。此外，去除木质素确保了蒸发器的耐用性[4][15]。另外，亲水层和疏水层的组合可以防止盐晶在DW气凝胶中阻塞传输路径。这可以通过使用涂有炭黑的聚合物[20]、作为疏水光热层的四氧化三铁纳米颗粒[38][39]或硅烷偶联剂来优化传输路径[9]来实现。在这样的蒸发器中，水蒸发发生在亲水-疏水界面，亲水性基底将水输送到界面，沉淀的盐晶在界面处自行溶解，不会附着在光热层表面，从而实现连续高效的淡化。

此外，蒸发器的实际蒸发速率很大程度上取决于光热层的光吸收能力。已经广泛研究了各种光热剂，包括金属纳米颗粒（铁、钯、金、银）[12][18]、金属氧化物（MnO2 [29]、Ti2O3 [35]）、碳基结构（CNT [16]、rGO [40]、碳层[41]）和导电聚合物（PPy [4]、PANI [10]）。通常，基于木材和纤维素的太阳能蒸发器与光热剂结合使用时，在单日照条件下的蒸发速率在1.0~1.3 kg m-2 h-1范围内，效率为70-85%（表S1）。尽管有报道更高的性能，但这些系统往往涉及复杂的制备过程或存在稳定性问题。碳化钛（Ti3C2Tx）作为一种碳基材料，显示出与rGO和CNT相似的光热转换效应和电子传输能力，也适合用于海水淡化[42][43]。MXene是一类二维纳米级过渡金属碳，通过使用含氟酸性溶液进行选择性蚀刻获得[44][45]。MXene的局部表面等离子体共振效应使其能够实现高太阳能转换效率，类似于金属材料[21]。迄今为止，各向异性MXene气凝胶在多种海水处理应用中展现了快速高效的吸附能力[46]。它们表面丰富的活性官能团（如-OH、-O和-F）有助于与基于纤维素的气凝胶形成强氢键，从而导致紧密的粘附。最近的研究表明，通过结构和界面工程策略，基于MXene的复合蒸发器可以实现超过2.0 kg m-2 h-1的高蒸发速率[47][48][49]。同时，生物质衍生基底与MXene结合也因其低成本、可持续性和高效的水传输能力而受到越来越多的关注[50][51][52]。尽管取得了这些进展，但在实现高蒸发性能、结构稳定性、在复杂条件下的长期运行、制备的复杂性和实际应用的难度之间仍存在挑战。

尽管太阳能蒸发器取得了显著进步，许多高性能系统依赖于复杂的制造过程，这限制了它们的可扩展性和实际应用。因此，开发具有简单且可扩展制造策略的高效率蒸发器仍然是一个关键挑战。此外，以往的研究缺乏各向异性抗盐气凝胶，我们在本研究中通过一种简单有效的方法构建了复合气凝胶，从而填补了这一空白。因此，在本研究中，使用脱木质素木材（DW）气凝胶作为基底和Ti3C2Tx MXene（MX）作为光热剂，制备了具有优异蒸发速率和太阳能转换效率的DW-MX复合蒸发器。DW的高亲水性和定向排列的通道促进了连续的水传输，湿态下的低导热性有助于将热量集中在表面，DW4蒸发器在脱木质素处理后4小时内表现出最佳的蒸发性能。MXene纳米片具有优异的光吸收（98%的吸收率）和光热转换能力，附着在蒸发器的表面孔隙中而不造成堵塞，确保了高蒸发速率和效率。在模拟的太阳能海水处理中，DW-MX4的蒸发速率为1.54 kg m-2 h-1，蒸发效率为86.5%，同时在1 mol/L酸和亚甲蓝溶液中也表现出良好的性能。因此，DW-MX蒸发器作为一种经济且环保的自浮式高性能界面太阳能蒸发器，显示出在淡化和水处理方面的巨大前景。

**材料**
从阿里巴巴集团获得了尺寸为25×25×5 mm³的轻木（NW，密度100 kg/m³）。亚氯酸钠（NaClO2，80%）由上海Titan科技有限公司提供。醋酸（CH3COOH，99%）、氯化钠（NaCl，99.5%）和亚甲蓝（MB）从上海Macklin生化科技有限公司购买。碳化钛铝（Ti3AlC2，98%）从北京HwrkChemical Technology有限公司获得。盐酸（HCl，36%-38%）从上海...

**木材蒸发器的表征**
图1a展示了基于木材的蒸发器的设计和制造过程。上层使用MXene作为吸光材料，由DW块支撑。MX溶液用刷子均匀涂覆在木材块表面，冷冻干燥后得到了DW-MX木材蒸发器。SEM图像（图1b）显示MAX为密集的固体块结构，而Ti3C2TX MXene在选择性蚀刻后呈现出手风琴状的层状形态（图1c）。

**结论**
总之，通过将MXene纳米片与DW基底结合，通过简单且可扩展的策略成功制备了DW-MX复合蒸发器。优化的DW4-MX样品在单日照条件下实现了1.54 kg m-2 h-1的蒸发速率和86.5%的太阳能到蒸汽的转换效率。此外，该系统在酸性和有机环境中表现出稳定的蒸发性能，并能有效净化含染料的废水。

**作者贡献声明**
zhang志航：撰写——原始草稿、可视化、数据管理。
林宇：撰写——审查与编辑、监督、资源管理、项目管理、概念化。
凌思琪：研究、数据管理。
彭申宇：研究、数据管理。
郑瑞娜：撰写——原始草稿、可视化、研究、数据管理。

**利益声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或可能影响本文工作的个人关系。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（51503066）、上海人才发展计划（14YF1404900）和中国博士后科学基金（2019M660082）的支持。