论文快递2406|青岛大学王莉莉团队NML研究论文：具有垂直通道MXene 沉积物基聚乙烯醇/海藻酸钠气凝胶蒸发器高效太阳能蒸发

文摘 2024-11-18 23:05 北京

2024年6月，《Nano-micro letters》期刊在线发表了题为“MXene Sediment-Based Poly(vinyl alcohol)/Sodium Alginate Aerogel Evaporator with Vertically Aligned Channels for Highly Efcient Solar Steam Generation”的研究性论文。青岛大学Tian Wang、Meng Li、Hongxing Xu共同为论文第一作者，吴小虎（山东高等技术研究院）、宋振华（青岛药学院），王莉莉（青岛大学）和张宪胜（青岛大学）为论文共同通讯作者。《Nano-micro letters》期刊2023年影响因子为31.6，是一本开放获取期刊，专注于从科学到技术等纳米或微米结构和系统的各个方面。

第一作者：

Tian Wang Meng Li Hongxing Xu

通讯作者：

吴小虎（山东高等技术研究院）

宋振华（青岛药学院）

王莉莉（青岛大学）

张宪胜（青岛大学）

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01433-1

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太阳能驱动的海水界面蒸发由于其绿色和环保的特性，被认为是缓解新出现的淡水危机的一种有效方法。然而，开发一种具有高效率、稳定性和耐盐性的蒸发器仍然是一个关键的挑战。MXene作为一种光热材料，具有100%的内部光热转化率。然而，用单层制备MXene的工艺，会产生大量的“废”MXene沉积物（MS）。文章选择MXene沉积物作为光热材料，创新地设计了一种垂直对齐孔的三维MXene沉积物/聚（乙烯醇）/海藻酸钠气凝胶蒸发器。垂直多孔结构使蒸发器能够改善水的输送、光捕获和高蒸发率。棉签和聚丙烯分别作为水通道和载体，从而制造自泡蒸发器。蒸发器在一太阳照射下蒸发率为3.6kgm⁻²h⁻¹，在室外阳光照射7h后，在凝结收集装置中收集18.37kgm⁻²的淡水。该蒸发器还显示出优异的耐油性和耐盐性。本研究充分利用了“废物”质谱，使自泡沫蒸发装置能够用于淡水收集。

太阳能驱动的海水界面蒸发由于其绿色和环保的特性，被认为是缓解新出现的淡水危机的一种有效方法。然而，开发一种具有高效率、稳定性和耐盐性的蒸发器仍然是一个关键的挑战。MXene作为一种光热材料，具有100%的内部光热转化率。然而，用单层制备MXene的工艺，会产生大量的“废”MXene沉积物（MS）。文章选择MXene沉积物作为光热材料，创新地设计了一种垂直对齐孔的三维MXene沉积物/聚（乙烯醇）/海藻酸钠气凝胶蒸发器。垂直多孔结构使蒸发器能够改善水的输送、光捕获和高蒸发率。棉签和聚丙烯分别作为水通道和载体，从而制造自泡蒸发器。蒸发器在单日照射下蒸发率为3.6kgm⁻²h⁻¹，在室外阳光照射7h后，在凝结收集装置中收集18.37kgm⁻²的淡水。该蒸发器还显示出优异的耐油性和耐盐性。本研究充分利用了“废物”质谱，使自泡沫蒸发装置能够用于淡水收集。

1.创新性地利用MXene沉积物作为海水淡化的光热材料。

2.受天然木材蒸腾过程的启发，创新性地制备了一种具有垂直排列通道的三维MXene沉积物基气凝胶作为太阳能蒸发器。

3.具有独特的结构和组成，具有优良的光热转化率、蒸发速率、耐盐性和抗生物/油/特殊环境。

图1 PSMS气凝胶蒸发器的制作工艺

图2 PSMS气凝胶的结构表征（a）9一小时后底部收集的高浓度MS的形状。（b）MS（Ti₃AlC₂）的TEM图谱。（c）MS（m-MXene和MXene）的TEM图谱。（d-f）在扫描电镜下观察的PSMS气凝胶。（g-i）在扫描电镜下观察到纵向上的PSMS气凝胶。（j） PSMS气凝胶的表面-切片EDS映射图像。

图3 PSMS气凝胶中不同组分之间的相互作用。（a）PSMS的轻的质量图。（b）Ti₃AlC₂、MS、Ti₃C₂T_xMXene和PSMS气凝胶的XRD试样图。（c）PVA、SA、PS和PSMS的FT-IR光谱。（d）Ti₃AlC₂、MXene、MS和PSMS气凝胶的全XPS光谱。（e、f）MS和PSMS气凝胶的Ti 2p XPS图样(e)和F 1s XPS图样(f)。

图4总结了不同入射角对PSMS-1气凝胶蒸发器的温度的影响：入射角度范围为30-70°，入射角大，温度的变化略微下降但是总体变化不大，都保持在50℃左右。

图4 PSMS气凝胶的亲水性、光吸收和热管理性能。（a） PSMS气凝胶的润湿性。（b）PSMS-1、PSMS-5、PSMS-6气凝胶的吸收光谱。（c）在1阳光照射下PSMS-1气凝胶干湿状态下的温度变化。（d）PSMS-1气凝胶在干燥状态上的红外图像。（e）不同入射角下PSMS-1气凝胶蒸发器的温度变化。（f） COMSOL模拟计算的PSMS-1气凝胶在干、湿状态下在5 min内快速升温的表面温度。

图5总结了不同浓度的PSMS气凝胶蒸发器对蒸发器蒸发水的质量的影响：PSMS的浓度范围为1-4%，随着浓度上升，蒸发水的质量的质量略微下降，1%浓度时蒸发效率最高。

不同厚度的PSMS气凝胶蒸发器中蒸发水水的质量的影响：厚度范围为0.75，1.5，2.5，3.5cm，随着厚度增加，蒸发效率不断提升，当厚度达到3.5cm时，蒸发效率大幅提升约达到4kgm⁻²。

不同太阳条件下PSMS-1气凝胶蒸发器下蒸发水水的质量的影响：在1-5个太阳条件下，蒸发器的蒸发效率随着太阳强度升高而升高。

不同盐浓度下蒸发水质量的影响：盐浓度范围为3.5wt%、10wt%、20wt%，总体上蒸发效率随着浓度提升而降低，但是变化幅度不大，在20wt%的条件下也能保持较高的蒸发效率。

图5 PSMS气凝胶蒸发器的蒸发性能。（a）太阳蒸发实验装置的示意图。（b）不同浓度的PSMS气凝胶蒸发器（2.5 cm）对蒸发器蒸发水的质量的变化。（c）不同MS含量PSMS气凝胶（2.5 cm）蒸发器水的质量的变化。（d）不同高度的PSMS气凝胶蒸发器中蒸发水水的质量的变化。（e）在1-5个太阳条件下，PSMS-1气凝胶蒸发器下蒸发水水的质量的变化。（f）在1次阳光下，10次循环下的水的蒸发速率。（g）不同盐浓度下蒸发水质量的变化。（h）盐水交换示意图。（i）不同的MXene光热材料蒸发器蒸发速率的比较。

图6 PSMS气凝胶蒸发器的应用情况。（a）蒸发器水下油污污染泄漏的PSMS-1气凝胶宏观图。（b） PSMS-1气凝胶的抗菌性能。（c）室外的“蒸发-冷凝-收集”装置的数字图像。（d）蒸发装置的原理图。（e）室外环境温度，PSMS-1气凝胶蒸发器表面温度的变化。（f）太阳光强度和水分蒸发质量的变化。（g）海水提纯前后金属离子浓度的变化

综上所述，针对MXene制备过程中所存在的资源浪费问题，本研究介绍了以MXene沉积物为原料的3D PSMS气凝胶蒸发器的设计与开发，并组装了冷凝液收集装置。在实际的脱盐过程中，实现了优异的光热转化效率、蒸发速率、耐盐性和抗生物/油/特殊环境。其定向冻结产生的有序多孔结构不仅促进了水的输送，而且增强了通道内的光吸收，最大限度地提高了光热转换的效率。3D结构被设计为增强水-空气界面的蒸汽扩散，且侧温保持低于环境温度，以吸收环境中额外的热量，并增加侧面的暗蒸发。蒸发器在1次太阳照射下蒸发率为3.6kgm⁻²h⁻¹，冷凝收集装置在室外连续7小时蒸发率为18.37kgm⁻²。同时，其独特的各向异性结构使饱和溶液和盐水之间产生化学势变化，在高浓度盐溶液中达到平衡。这促进了对流和沉降，同时抑制了盐晶体的沉淀。此外，PSMS气凝胶表面的水膜层可以防止油进入气凝胶。该蒸发器具有良好的抗菌性能，在极端环境下保持稳定的蒸发性能。自封装置与冷凝收集装置的结合解决了海水淡化的收集挑战，通过冷凝收集的净化水符合世卫组织和环境保护署的标准。这证明了PSMS气凝胶蒸发器是一种可持续开发抗盐、高效淡水资源回收的新方法。利用质谱作为光热材料，最大限度地提高了MXene原料的潜力。未来，MS基蒸发器的发展将扩展到界面太阳能淡化蒸发器的领域。

Wang, T., Li, M., Xu, H.et al. MXene Sediment-Based Poly(vinyl alcohol)/Sodium Alginate Aerogel Evaporator with Vertically Aligned Channels for Highly Efficient Solar Steam Generation. Nano-Micro Lett. 16, 220 (2024). https://doi.org/10.1007/s40820-024-01433-1

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翻译与资料整理：徐泽恩

编辑：环境与能源功能材料

徐泽恩（阳光净水课题组）

【资料整理】徐泽恩：资源与环境硕士研究生，研究方向为生物基环境功能材料在水污染控制工程领域应用。

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