2024年，国际期刊《Chemical Engineering Journal》在线发表题为“A facile MXene/PPy modified asymmetry sponge solar absorber enabling efficient and high salt resistance evaporation”的研究论文，中北大学范向前为第一和通讯作者。该研究主要制备了M/P-AMS太阳能吸收剂，该吸收器结合了许多优点，包括高孔隙率，更强的光吸收，有效的光到热转换，提高抗氧化性和结构稳定性。此外，梯形结构的非对称效应促使盐离子的定向传输，从而实现了十分优异的耐盐性。《Chemical Engineering Journal》是Elsevier旗下重要期刊，该期刊2023年影响因子为15.1，主要刊登化学工程的五个方面：环境化学工程、催化、化学反应工程、绿色可持续科学工程、新型材料。
第一作者：范向前
通讯作者：范向前
通讯单位：中北大学
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.149304
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太阳能驱动的界面水蒸发正在成为一种有前途的可持续淡水收集策略，引起了学术界的广泛关注。然而，能够抑制盐结晶和易于规模化制备的太阳能蒸发器是不可或缺的，但仍然具有挑战性。在这项研究中，通过简单的浸涂法，提出了一种基于MXene纳米片和聚吡咯协同作用的非对称三聚氰胺海绵的太阳能吸收器。太阳能吸收器的这些独立组件的集成可以实现高效的光热转换，更强的光吸收，抗氧化和长期稳定性。更重要的是，梯形结构的非对称效应促使盐离子从宽腿定向传输到窄腿，实现了令人惊讶的耐盐性。因此，在1个太阳光照射下，该太阳能吸收器在高盐度7和10 wt % NaCl溶液中的蒸发速率可高达1.751和1.691 kg m-2 h-1。同时，在连续运行过程中，即使在高盐水中辐照300 h后，其蒸发速率变化也很小，并保持在恒定值。这种太阳能吸收器被证实是一种简便、可扩展、高效、稳定和耐盐的蒸发器，可用于苛刻条件下的海水淡化。
随着工业化的快速发展和人口的激增，淡水资源短缺已成为全球性的挑战。75%的地球表面被海水覆盖，因此，海水淡化和废水净化被认为是再生清洁水和缓解淡水短缺的理想策略。为了使海水淡化，人们付出了巨大的努力来开发各种技术，如反渗透、膜分离和热蒸馏。然而，这些传统的处理技术依赖于化石燃料，消耗大量能源，造成环境污染。使得利用可再生能源生产淡水的经济解决方案逐渐引起人们的关注。太阳能是一种环境友好、取之不尽、用之不竭的可再生能源，可作为有效应对能源危机的可持续替代能源。地球每年从太阳辐射中获得约3×1024 J的能量，而其中只有0.1%的能量足以满足全球每年的能源需求。
基于此，太阳能界面蒸发作为一种极具前景的可持续淡水收集策略，通过将太阳能的热量局部化在水面，以其低能耗和环境影响受到学术界的广泛关注。近年来，人们对太阳能界面蒸发器进行了大量的探索，以实现高效蒸发。太阳能蒸汽产生的效率和速率很大程度上取决于太阳能吸收器的光学性质、光热转换和结构。因此，人们提出了提高光吸收、减少热损失、优化输水通道、降低蒸发焓等多种解决方案来优化蒸发性能。此外，不同种类的光热转换材料也被探索，包括金属、半导体、碳材料和聚合物。
尽管在高速率和高效率的太阳能蒸汽生成方面取得了显著的进展，但必须考虑的另一个棘手障碍是脱盐过程中蒸发表面的盐堆积。结晶后的盐会阻碍阳光的吸收，降低光热转换效率和蒸发性能。此外，积聚的盐类会堵塞供水的内部路径和蒸汽扩散的通道，导致蒸发器产生的蒸汽大大减少，使用寿命变长。因此，抑制盐结晶的合理设计是必不可少的，但仍然具有挑战性的实现。Janus蒸发器被提出了疏水层和亲水层，以限制疏水-亲水界面上的盐。一些创新设计的太阳能吸收器也表现出了抑制盐结晶的高效率。如双模态调水结构、合理设计的人工通道阵列、蒸发器与绝缘体之间独特的水过渡层设计等。最近，Yang等制备了一种二极管状结构的非对称蒸发器，其设计并优化了梯形蒸发面积和宽腿增强的输水通道，在高盐度海水中表现出稳定的蒸发速率。然而，这些太阳能吸收器往往需要复杂的制造工艺和精心的设计，导致结构稳定性差，这限制了太阳能驱动界面蒸发在实际应用中的发展。因此，探索一种制备结构稳定、蒸发效率优异、耐盐性高（盐度>3.5 wt%）的太阳能吸收器的简单、可扩展的方法具有重要意义。
低成本纳米三聚氰胺海绵具有优良的亲水性、各向异性多孔微通道、易于大规模制备、良好的机械性能和优异的保温性能等优点。这些特性使其成为制造太阳能驱动界面蒸发装置的理想材料。此外，一种新的二维材料Ti3C2Tx MXene，由于其亲水性和理论上100%的内光转换效率，已被证明是一种很有前景的太阳能吸收候选材料。使用MXene纳米片设计了不同几何形状的太阳能吸收器，包括一维（1D）纤维、二维（2D）膜以及三维（3D）气凝胶或水凝胶。然而，由于MXene表面活性基团丰富（如-OH、-F等），其固有的易被氧化的缺陷仍然影响着其实际应用。在这种情况下，聚吡咯（PPy）具有优越的光吸收和光热效应以及优异的化学稳定性，由于其易于合成工艺，适合与MXene纳米片结合，从而产生稳定高效的复合光热材料。据我们所知，通过简单的制备方法来制备基于非对称效应的光热材料的相关工作很少。因此，将具有多孔结构的非对称海绵与具有优良光热效果的MXene/PPy结合起来，利用简单且可扩展的制造工艺，生产出具有优异耐盐性的光热材料，展现出了良好的潜力。
1、利用非对称效应制备了一种简便的M/P-AMS太阳能吸收剂。
2、PPy纳米粒子抑制光的反射，抑制MXene的氧化。
3、PPy装饰的MXene具有出色的太阳蒸发性能。
4、不对称效应结合高孔隙率确保优异的抗盐性。
(a) M/P-AMS太阳吸收器在1次太阳照射下60 h的光学图像。(b) M/P-AMS太阳能吸收器在不同光强下的光学图像。(c) M/P-AMS太阳吸收器在1次太阳照射下盐溶解过程的光学图像
通过MXene溶液的简单浸涂和吡咯在不对称三聚氰胺海绵表面的原位聚合，制备了M/P-AMS太阳能吸收剂。得益于各组分的特性，M/P-AMS太阳能吸收器结合了许多优点，包括高孔隙率，更强的光吸收，有效的光到热转换，提高抗氧化性和结构稳定性。此外，梯形结构的非对称效应促使盐离子的定向传输，从而实现了惊人的耐盐性。因此，M/PAMS太阳能蒸发器在模拟海水盐度分别为7和10 wt%、太阳照度为1时的蒸发速率可分别达到1.751和1.691 kg m−2h−1。M/P-AMS太阳能吸收器能够在高盐度海水中长期保持稳定的蒸发速率和有效的除盐。这项工作的简单策略可能为光热材料的设计和制造提供新的机会，利用其可扩展和简单的制造过程，高能量转换效率和出色的除盐性能，建立一个真正的脱盐的抗盐太阳能蒸汽发电系统。
Fan X, Zhang S, Wang H, et al. A facile MXene/PPy modified asymmetry sponge solar absorber enabling efficient and high salt resistance evaporation[J]. Chemical Engineering Journal, 2024, 483: 149304.
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翻译与资料整理：肖梅
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