雖然海水很多，但是淡水很少，這是人類一直以來(lái)面臨的一個(gè)重大環(huán)境問(wèn)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(yáng)能便成為了我們首要的考慮對(duì)象。在目前的太陽(yáng)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(guò)光熱效應(yīng)將水氣化而實(shí)現(xiàn)海水淡化的材料的能量轉(zhuǎn)化效率可表示為通過(guò)材料而氣化的水所吸收的熱量與照射到材料表面的太陽(yáng)能量之比。要想提高上述比值，就需要材料具有如下六個(gè)特征：1）材料在太陽(yáng)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(rùn)性以實(shí)現(xiàn)高效的水運(yùn)輸；5）材料的機(jī)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(dá)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(tuán)使其可以被用于構(gòu)建能快速轉(zhuǎn)運(yùn)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(kāi)大學(xué)梁嘉杰教授課題組成功開(kāi)發(fā)出以MXene為骨架，負(fù)載以鈷納米顆粒和碳納米片層級(jí)結(jié)構(gòu)的光熱轉(zhuǎn)換泡沫。這種多層級(jí)、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(yùn)速率并抑制鹽的沉積。因此，這一泡沫的實(shí)際光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了93.39%。此外，連續(xù)10天、每天10 h的耐久性測(cè)試也說(shuō)明了該材料的長(zhǎng)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(jìn)行刻蝕剝離和溶液化。MXene溶液通過(guò)凍干法制備具有取向性，高度親水的MXene泡沫。Co-MOF通過(guò)原位生長(zhǎng)法生長(zhǎng)在通道壁上，然后經(jīng)過(guò)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(qiáng)光熱轉(zhuǎn)換總效率；碳納米片起到保護(hù)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(jí)結(jié)構(gòu)表征
圖?3?Co-CNS/M泡沫形貌及成分分析
通過(guò)SEM，研究人員確認(rèn)了層級(jí)結(jié)構(gòu)的存在，并且層級(jí)結(jié)構(gòu)在材料內(nèi)分布均勻且完整（圖3a-c）。負(fù)載有Co的碳納米片均勻生長(zhǎng)在MXene薄壁上。進(jìn)一步對(duì)碳納米片的TEM和EDS分析表明在碳納米片和整個(gè)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(zhǎng)在MXene上的無(wú)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(shí)光反射率也更低，因而具有更好的光吸收性（圖4a、b）。通過(guò)探測(cè)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?，當(dāng)光垂直入射時(shí)，Co-CNS/M和MXene泡沫的溫度都會(huì)迅速上升，然而當(dāng)光以一定角度入射時(shí)，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(shí)驗(yàn)室環(huán)境中泡沫光-蒸氣轉(zhuǎn)化測(cè)試
圖?5?Co-CNS/M泡沫海水淡化測(cè)試
在經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)以達(dá)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(cè)試了Co-CNS/M淡化海水的效率（圖5i）。在1 kW·m-2的模擬陽(yáng)光功率下，Co-CNS/M的水蒸發(fā)速率達(dá)到了1.393?kg·m-1·h-1，其光-蒸氣轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)到了93.39%，平均為93.06%（圖5c）。
Co-CNS/M泡沫的耐久性通過(guò)循環(huán)使用實(shí)驗(yàn)來(lái)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(cè)試。在經(jīng)過(guò)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(cè)試后，材料表面并沒(méi)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(duì)真實(shí)海水的淡化能力
圖?6?真實(shí)環(huán)境下材料的海水淡化能力測(cè)試
最后，為了表明Co-CNS/M泡沫在真實(shí)環(huán)境中的海水淡化能力，研究人員分別在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境（可控人造光源）和自然光源下，用天然海水對(duì)材料進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)淡化后，海水中Na+、Mg2+、K+和Ca2+離子的濃度均遠(yuǎn)低于WHO或EPA的要求（圖6a），在自然光下測(cè)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(guò)獨(dú)特的層級(jí)結(jié)構(gòu)將鈷、碳納米片和MXene的性能有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，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(diǎn)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(dá)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(jiān)實(shí)的一步。
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