研究背景

光界面蒸发作为海水淡化和废水处理的一个重要研究分支，因其可持续性、环境友好和低成本等特点而备受关注。目前的各种光热材料中，生物质基材料通常具有天然多孔结构、导热系数低且成本低廉等优点，然而大多数生物质基材料原始的太阳能吸收性能很差，因此往往需对其进行光热材料涂层等表面处理。已有的研究表明Ti 3C 2 MXene作为太阳能蒸汽生成的光热材料具有巨大的潜力。然而，由于Ti 3C 2纳米片通常表面光滑，光吸收较弱，光反射较强且二维Ti 3C 2纳米片通常会自发地重新堆积，可能会阻碍水的运输和蒸汽的逸出过程。因此，有必要进一步改进Ti 3C 2以实现高效的太阳能蒸汽生产。引入层间屏障可以有效地避免自发堆积，增加表面积。其中，二氧化锰(MnO 2)也是一种很有前途的可用于光界面蒸发的光热材料。为此，香港理工大学的Yuen Hong Tsang课题组在具有三维微孔结构的低成本可生物降解丝瓜络(LS)表面涂覆Ti 3C 2-MnO 2纳米复合材料作为太阳能蒸发器。表面镀Ti 3C 2-MnO 2纳米复合材料可显著提高LS的亲水性和太阳能吸收性能。所研制的太阳能蒸发器具有较高的蒸发效率和单次太阳照射下太阳能水蒸发的长期稳定性且具有良好的抗盐性能，可用于高浓度盐水脱盐。

相关成果以“MXene/MnO2 nanocomposite coated superior salt-rejecting biodegradable luffa sponge for efficient solar steam generation”为题发表于在国际水处理领域顶级学术期刊《Desalination》（IF=11.211）上。

研究结论

研究人员采用面浸干燥法合成了Ti 3C 2-MnO 2@LS。其SEM图显示，与原始LS表面相比Ti 3C 2-MnO 2@LS表面变得更加粗糙，有利于减少光的反射。LS表面涂覆Ti 3C 2-MnO 2纳米复合材料后亲水性得到了增强，水接触角从78.56°减小到45.21°，能够快速高效地从底部向蒸发面供水。且由于Ti 3C 2-MnO 2具有良好的吸光性能，LS表面涂覆Ti 3C 2-MnO 2后，其太阳吸收能力大大增强。MXene与MnO2结合可以增加其比表面积和稳定性，丝瓜络的多孔结构和亲水性为快速的水运输和蒸汽逃逸提供了连接通道，允许充分的水流通过毛细作用和快速蒸汽生产。Ti 3C 2-MnO 2@LS的太阳蒸发速率高达1.36 kg m −2 h −1，在一次太阳照射下，太阳能蒸汽转换效率为85.28%。LS天然的微孔结构可以实现高效的盐离子扩散回流机制，使得Ti 3C 2-MnO 2@LS太阳能蒸发器表面形成的盐粒迅速溶解，在太阳能蒸发器与散装水的界面处形成高盐区，与本体水之间盐浓度的差异引起的扩散和对流可以降低了太阳蒸发器中的盐浓度，防止了盐的沉积。即使在30 wt%的盐水蒸发下，也可以实现1.1 kg m −2 h −1以上的蒸发速率。此外，Ti 3C 2-MnO 2@LS也可用于高效的废水净化。该太阳能水蒸发器具有长期耐用、蒸发速度快、成本低、抗盐性能好等优点，在光界面蒸发领域具有巨大潜力。

研究数据

图1.Ti3C2-MnO2@LS制备工艺示意图。

图2. (a-d)不同大小的Ti3C2-MnO2@LS的SEM图像；(d)的插图是原始LS。(e)EDS元素图谱；(f)EDS光谱与元素组成分析。

图3.(a)单次太阳照射下，纯水、原始LS和Ti3C2-MnO2@LS系统的水分蒸发质量随时间的变化;(b)Ti3C2-MnO2@LS在不同光强照射下的太阳蒸发性能;(c)不同太阳辐照度下对应的蒸发速率和蒸发效率;(d)Ti3C2-MnO2@LS的循环性能；(e)不同厚度下的蒸发效率和速率;(f)Ti3C2-MnO2@LS在干湿状态下的导热系数。

图4.(a)辐照30分钟后，水和Ti3C2-MnO2@LS的系统侧视图温度分布的红外图像;(b)不同盐度(海水10、20、30 wt%)下Ti3C2-MnO22@LS的太阳蒸发速率;(c)在1次太阳照射下的耐盐性进展;(d)自制海水淡化装置图像;(e)Ti3C2-MnO2@LS可能的排盐机制示意图。

图5.(a)海水、脱盐水和去离子水的pH值和盐度;(b)海水、脱盐水和去离子水的TDS和电导率;(c)海水淡化前后实际海水四种主要盐离子的浓度；(d)Ti3C2-MnO2@LS太阳能净化前后亚甲基蓝在一次太阳照射下的紫外-可见光谱。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916423001200

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