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Zhang H, Qiu C, Zhang R, et al. Superwetting MAX@ SiO2 coatings with high photothermal conversion performances for efficient seawater desalination and anti-/de-icing[J]. Chemical Engineering Journal, 2024: 153707.
水资源短缺已成为全球最紧迫的问题之一。为了应对这一挑战，科学家们一直在探索利用太阳能驱动的水蒸发技术，通过从海水或废水中获取清洁水。光热转换材料的光吸收能力和支持结构是影响太阳能到蒸汽转换效率的关键因素。在这一背景下，武汉理工大学研究团队发表了一项突破性研究，开发了一种新型的光热转换材料——MAX@SiO2复合物和涂层。这种材料不仅在高效海水淡化方面表现出色，还在抗冰和除冰方面展现了巨大的潜力。在这项研究中，科学家们首先通过在室温下将四乙基硅酸酯（TEOS）的水解与MAX悬浮液结合，制备了MAX@SiO2复合材料。随后，通过在六甲基二硅氮烷（HMDS）存在下将羟基替换为甲基基团，实现了MAX@SiO2复合材料的表面修饰。这种表面修饰不仅增强了材料的光热转换能力，还赋予了材料独特的表面润湿性，这对于后续的应用至关重要。
为了制造光热水蒸发器，研究团队采用了多孔的三聚氰胺泡沫（MF）作为基底。他们通过浸渍和干燥的方式将甲基修饰的MAX@SiO2复合材料引入MF的一侧，另一侧则浸渍羟基修饰的MAX@SiO2复合材料。这种独特的梯度结构设计使得蒸发器的顶部具有超疏水性，而底部则具有超亲水性，从而促进了水分子从底部向顶部加热区域的快速传输。这种设计不仅提高了水蒸发效率，还使得蒸发器能够自浮在水面上，减少了热损失。在模拟太阳光照射下，MAX@SiO2涂层的MF表现出了卓越的光热转换性能。研究显示，在1.0太阳辐射下，其水蒸发率可达约2.19 kg m−2 h−1，光热水蒸发效率高达91.2%。这一效率的实现，得益于MAX材料的强光吸收能力和复合材料的热绝缘性能。此外，研究团队还通过在玻璃滑块和绝缘体上依次喷涂树脂基底漆和MAX@SiO2顶层涂料，制备出了具有超疏水性的光热涂层。这些涂层在抗冰和除冰测试中表现出了优异的性能，展示了其在极端环境下的应用潜力。为了评估这些新型光热材料的实际应用潜力，研究团队还对涂层的机械和化学稳定性进行了测试。结果显示，MAX@SiO2涂层在经过多次砂纸磨损和不同环境条件下仍能保持其超疏水性能和光热转换性能。这一发现表明，这些材料不仅在实验室条件下表现出色，而且在实际应用中也具有很高的耐用性和可靠性。研究团队认为，这些材料的制备方法简单、成本低廉，且具有可扩展性，为太阳能淡水生成、废水处理和抗冰/除冰提供了一种有前景的解决方案。
图1. 梯度润湿性光热水蒸发器及防/除冰SH光热涂层制备示意图。
图2. 梯度结构 Ti3AlC2@SiO2 微蒸发器的未涂层三聚氰胺泡沫 (a-b)、超亲水 (SHI) 侧 (c-d) 和超疏水 (SH) 侧 (e-g) 的低倍 (a、c、e) 和高倍 (b、d、f-g) FESEM 图像。(i-l) 梯度结构 Ti3AlC2@SiO2 微蒸发器的各层不同润湿性能的数码照片。水滴被浇铸在表面上以显示润湿性。面板 (i-k) 中的插图显示相应层的水接触角图像。
图3.（a）水的质量减少，和（b）分别使用超疏水（SH）、超亲水（SHI）、Janus 和梯度蒸发器在 1.0 太阳照射下模拟海水的蒸发速率。（c）代表性蒸发器的表面时间-温度曲线。（d-f）SHI（d）、SH（e）和梯度（f）蒸发器在 1.0 太阳照射下不同时间的热图像。（g）梯度润湿性蒸发器增强海水淡化光热转换效率的机理示意图。
图4. (a) Ti3AlCN-MAX、Ti2AlC-MAX 和 Ti2AlN-MAX 及其相应的 MAX@SiO2 复合材料的 UV-Vis-NIR 漫反射光谱。(b) 具有梯度结构的各种 MAX@SiO2 掺入 MF 的数码照片，以及表面上亚甲蓝染色的水滴。(c) 干燥状态下的 Ti3AlCN@SiO2、Ti2AlC@SiO2 和 Ti2AlN@SiO2 装饰 MF 的红外照片，显示在 1.0 太阳辐射下 30 秒内的表面温度变化。(d) 在规定的各种 MAX@SiO2 掺入 MF 存在下，在 1.0 太阳辐射下模拟海水的水质量减少。(e) 相应蒸发器的蒸发速率。
图5. 不同涂层的光热防冰性能。 （a）SH Ti3AlC2@SiO2 涂层的表面时间-温度曲线，其中 Ti3AlC2@SiO2 复合材料是在不同量的 Ti3AlC2 存在下合成的。（b）无光照时各种涂层的冻结时间。（c）不同太阳能强度下 -20 ◦C 时各种涂层的冻结时间。（d）0.3 太阳照射下不同温度下各种涂层的冻结时间。（e）无光照时 -35 ◦C 时分别显示纯 SH SiO2 和 SH Ti3AlC2@SiO2 表面上 MB 染色水滴结冰过程的照片。（f）1.0 太阳照射下 -35 ◦C 时纯 SH SiO2 涂层和 SH Ti3AlC2@SiO2 涂层上的水滴冻结过程中的照片。
图6. 纯SH SiO2和光热SH Ti3AlC2@SiO2涂层在1.0光照下的光热除冰性能。(a)显示倾斜(θ = 30◦)纯SH SiO2涂层(右)和光热SH Ti3AlC2@SiO2涂层(左)上冰融化过程的数码照片。(b-c)倾斜纯SH SiO2和光热SH Ti3AlC2@SiO2涂层(θ = 30◦)上冷冻液滴除冰过程的红外热图像。
总结与展望
本研究中，科学家们开发了一种创新的MAX@SiO2复合材料，该材料通过将层状MAX材料（如Ti3AlC2、Ti3AlCN、Ti2AlC、Ti2AlN）与硅氧化物（SiO2）结合，展现出卓越的光热转换性能。这种复合材料不仅具备强大的光吸收能力，覆盖了紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）光谱范围，而且通过在多孔三聚氰胺泡沫（MF）上形成梯度润湿性结构，显著提高了水分子向加热区域的传输效率。这一创新结构设计使得MAX@SiO2涂层在模拟太阳光照射下展现出高达约2.19 kg m−2 h−1的水蒸发率和91.2%的光热水蒸发效率，显著优于现有技术。
除了高效的光热转换性能，MAX@SiO2涂层还展现出了优异的抗冰和除冰性能。通过在玻璃滑块和绝缘体上喷涂树脂基底漆和MAX@SiO2顶层涂料，制备的超疏水光热涂层在低温和高湿度环境下能够有效延迟冰的形成，并在光照下迅速融化冰层。此外，研究团队还对涂层的机械和化学稳定性进行了测试，结果表明，MAX@SiO2涂层在经过多次砂纸磨损和不同环境条件下仍能保持其超疏水性能和光热转换性能，显示出良好的耐用性和可靠性。这些特性使得MAX@SiO2复合材料和涂层在太阳能淡水生成、废水处理和抗冰/除冰等领域具有广泛的应用前景，为解决全球水资源短缺和极端环境下的抗冰/除冰问题提供了创新的解决方案。
相应的成果以“Superwetting MAX@SiO2 coatings with high photothermal conversion performances for efficient seawater desalination and anti-/de-icing”为题发表在Chemical Engineering Journal 上，文章的通讯作者为谢毅教授。
中国民用航空飞行学院何强教授团队依托高高原航空安全验证实验室与四川省全电通航飞行器关键技术工程研究中心等省重平台，主要研究方向为表面防除冰，航空橡胶密封等。欢迎相关文献投稿，交流合作。
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