雖然海水很多，但是淡水很少，這是人類一直以來面臨的一個重大環(huán)境問題。因而人們一直在尋找高效的海水淡化方法。大規(guī)模、持久的海水淡化首先需要源源不斷的能量，因而太陽能便成為了我們首要的考慮對象。在目前的太陽能能量轉(zhuǎn)換手段中，光熱轉(zhuǎn)換因其高能量轉(zhuǎn)換效率和易用性而在海水淡化和廢水凈化領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。
通過光熱效應(yīng)將水氣化而實現(xiàn)海水淡化的材料的能量轉(zhuǎn)化效率可表示為通過材料而氣化的水所吸收的熱量與照射到材料表面的太陽能量之比。要想提高上述比值，就需要材料具有如下六個特征：1）材料在太陽光全波段都有良好吸收；2）材料的光熱轉(zhuǎn)換效率高；3）材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，以降低能量的耗散；4）材料具有多孔性和易浸潤性以實現(xiàn)高效的水運輸；5）材料的機械和化學(xué)穩(wěn)定性高；6）材料可以阻止鹽沉積。
作為一類新興的2D納米材料，MXene的內(nèi)光熱轉(zhuǎn)換效率可以達到100%，且在較寬波段內(nèi)都有良好吸收。此外，它表面的大量親水基團使其可以被用于構(gòu)建能快速轉(zhuǎn)運水的親水通道。因而MXene有望成為碳基材料和等離子體納米顆粒這兩種傳統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)換材料的良好替代品。然而MXene的高導(dǎo)熱系數(shù)、寬波段光反射和易氧化的特性仍然是其在光熱海水淡化材料領(lǐng)域應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)。
近日，南開大學(xué)梁嘉杰教授課題組成功開發(fā)出以MXene為骨架，負載以鈷納米顆粒和碳納米片層級結(jié)構(gòu)的光熱轉(zhuǎn)換泡沫。這種多層級、多材料的結(jié)構(gòu)使得上述泡沫能夠有效抑制光反射、提寬波段的高光熱轉(zhuǎn)換效率、降低導(dǎo)熱率、提高水轉(zhuǎn)運速率并抑制鹽的沉積。因此，這一泡沫的實際光熱轉(zhuǎn)換效率達到了93.39%。此外，連續(xù)10天、每天10 h的耐久性測試也說明了該材料的長期使用穩(wěn)定性和鹽抗性。上述成果以“A?MXene-Based Hierarchical Design Enabling Highly Efficient and Stable Solar-Water Desalination with Good Salt Resistance”為題發(fā)表于Advanced?Functional?Materials。
1.?Co-CNS/M制備方法及海水淡化原理
圖?1?Co-CNS/M光熱轉(zhuǎn)換泡沫的制備流程
圖?2?Co-CNS/M泡沫高效光熱轉(zhuǎn)換和海水淡化的原理
為得到親水的MXene骨架，選用Ti3AlC MAX進行刻蝕剝離和溶液化。MXene溶液通過凍干法制備具有取向性，高度親水的MXene泡沫。Co-MOF通過原位生長法生長在通道壁上，然后經(jīng)過熱解生成表面密布鈷的碳納米片（圖1）。其中，鈷納米顆粒提供等離子體局域加熱效應(yīng)以增強光熱轉(zhuǎn)換總效率；碳納米片起到保護MXene、減小光反射、減小導(dǎo)熱率的作用；MXene則作為主要的光熱轉(zhuǎn)換材料和親水通道骨架（圖2）。
2.?C-CNS/M泡沫的層級結(jié)構(gòu)表征
圖?3?Co-CNS/M泡沫形貌及成分分析
通過SEM，研究人員確認了層級結(jié)構(gòu)的存在，并且層級結(jié)構(gòu)在材料內(nèi)分布均勻且完整（圖3a-c）。負載有Co的碳納米片均勻生長在MXene薄壁上。進一步對碳納米片的TEM和EDS分析表明在碳納米片和整個材料尺度上Co的分布也非常均勻（圖3d-i）。
3.?Co-CNS/M泡沫光吸收、光熱轉(zhuǎn)換性能和親水性表征
圖?4?Co-CNS/M泡沫的光熱轉(zhuǎn)換性能和親水性
生長在MXene上的無定形碳納米片能有效降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)。相比于純MXene泡沫，Co-CNS/M的導(dǎo)熱系數(shù)在干燥和浸水狀態(tài)下分別從0.345和0.790 W·m-1·K-1降低至0.242和0.591?W·m-1·K-1。
相比于MXene泡沫，Co-CNS/M泡沫的光吸收率在200-2000 nm波段要高，同時光反射率也更低，因而具有更好的光吸收性（圖4a、b）。通過探測泡沫表面溫度及其和環(huán)境溫度的差值，可以表征其光熱轉(zhuǎn)換效率?？梢钥闯觯敼獯怪比肷鋾r，Co-CNS/M和MXene泡沫的溫度都會迅速上升，然而當光以一定角度入射時，MXene泡沫的轉(zhuǎn)換效率迅速下降，而Co-CNS/M變化較小（圖4c、d）。
此外，MXene的親水性和其取向管道結(jié)構(gòu)使得泡沫材料表面的水滴在30 ms內(nèi)就迅速被吸收（圖4e）。
4.?實驗室環(huán)境中泡沫光-蒸氣轉(zhuǎn)化測試
圖?5?Co-CNS/M泡沫海水淡化測試
在經(jīng)過設(shè)計以達到最佳隔熱效果，使熱量能夠被盡可能多地用于光熱轉(zhuǎn)換的設(shè)備上，研究人員測試了Co-CNS/M淡化海水的效率（圖5i）。在1 kW·m-2的模擬陽光功率下，Co-CNS/M的水蒸發(fā)速率達到了1.393?kg·m-1·h-1，其光-蒸氣轉(zhuǎn)換效率最高達到了93.39%，平均為93.06%（圖5c）。
Co-CNS/M泡沫的耐久性通過循環(huán)使用實驗來表征。在連續(xù)使用10 h后，Co-CNS/M泡沫被取出并干燥，然后再安回原位繼續(xù)測試。在經(jīng)過10輪循環(huán)后，其水蒸發(fā)速率仍然保持在1.38 kg·m-1·h-1（圖5f）。此外，在人工海水環(huán)境（3.5 wt% NaCl）中的連續(xù)工作測試后，材料表面并沒有出現(xiàn)任何鹽結(jié)晶，表明了材料優(yōu)異的拒鹽性能。
5.?Co-CNS/M對真實海水的淡化能力
圖?6?真實環(huán)境下材料的海水淡化能力測試
最后，為了表明Co-CNS/M泡沫在真實環(huán)境中的海水淡化能力，研究人員分別在實驗室環(huán)境（可控人造光源）和自然光源下，用天然海水對材料進行了測試。經(jīng)淡化后，海水中Na+、Mg2+、K+和Ca2+離子的濃度均遠低于WHO或EPA的要求（圖6a），在自然光下測試了12 h后，單位面積的材料能收集到5.32 kg的淡水（圖6c）。
總結(jié)
通過獨特的層級結(jié)構(gòu)將鈷、碳納米片和MXene的性能有機地結(jié)合起來，使得MXene基海水淡化材料的效率大幅提升。MXene原本的光反射率高、高導(dǎo)熱率和不穩(wěn)定的缺點均得到了明顯的改善，從而使得Co-CNS/M泡沫的光-蒸氣轉(zhuǎn)化效率最高達到了93.39%。上述策略讓MXene材料在光熱轉(zhuǎn)化材料領(lǐng)域的應(yīng)用又邁出了堅實的一步。
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