Desalination | 仿生浮萍启发的SC@MXene/毛圈织物用于高效太阳能蒸发与海水淡化|desalination|sc|太阳能|气凝胶|蒸发器|通量

研究背景

太阳能驱动界面蒸发技术凭借高效率、零碳排放、结构灵活和广泛的水源兼容性，已成为海水淡化和废水回收的可持续策略。其机理由三个核心组分的协同作用主导：光热材料通过光激发局域化太阳能、水传输网络通过毛细或通道流确保连续界面供水、热管理结构抑制向本体和周围环境的寄生热损失。然而，传统界面蒸发器件在实际海水淡化应用中仍面临诸多挑战：光热层与蒸发层通常通过物理结合连接，界面粘附力弱、相容性差，长期运行中易发生分层和脱落，严重影响光热转换效率和系统稳定性；大多数现有蒸发器依赖外部泡沫基支撑进行漂浮，增加了结构复杂性并加剧热损失；水传输通道易被盐析出物堵塞，累积的盐分阻碍实际工程应用。此外，废弃纺织品因其来源广泛、成本低廉、孔隙丰富和润湿性可调，成为海水淡化载体的理想选择，将光热材料集成到废弃纺织品中，有望通过功能化纤维网络实现快速水传输、高效蒸发和原位自脱盐，为界面蒸发提供绿色经济的路径。

基于以上背景，本研究受浮萍（Spirodela polyrhiza）表面自悬浮、吸水和传输机制的启发，设计并开发了一种基于海藻酸钠/羧化纤维素纳米纤维（SC）@MXene/毛圈织物的梯度Janus结构仿生双面器件。该器件将毛圈织物嵌入SC@MXene气凝胶中形成互穿复合结构，有效改善了界面结合，克服了传统光热复合材料的分层倾向，并显著增强了系统的结构完整性和机械稳定性，为盐碱地区废水回用和农业灌溉水生产提供了高效、稳定、环保的解决方案。

相关工作以“Biomimetic duckweed-inspired SC@MXene/terry fabric for efficient solar evaporation and desalination”为题发表在《Desalination》（IF=9.9）上。

研究内容

本研究聚焦于解决界面蒸发器件在复杂水质条件下的长期稳定性和防污性能难题。研究团队受浮萍自悬浮、吸水和传输机制的启发，构建了梯度Janus结构的SC@MXene/毛圈织物复合蒸发器。底层毛圈织物具有独特的弧形结构，通过沉浮环结构与上层气凝胶机械互锁形成稳定的互穿锚定架构。在20%盐浓度下，经向芯吸系数达1.33 cm/(min)¹/²，30分钟内芯吸高度达7 cm。上层SC@MXene气凝胶中形成连续疏水网络，水接触角高达131.2°，确保稳定漂浮、隔热和局部加热蒸发。上下层之间形成的互穿结构显著增强了界面结合强度，50%压缩时压缩应力达14.6 ± 0.73 kPa。

在材料表征方面，SEM显示棉毛圈织物具有天然卷曲和扭曲的带状纤维结构，上层SC@MXene气凝胶呈现高度多孔结构，气凝胶均匀包覆并紧密粘合在纤维上。EDS证实C、N、O、F、Na、Cl、Ca和Ti元素在MXene嵌入气凝胶中均匀分散。FTIR和XRD证实KH550成功接枝MXene，MXene的（002）峰从2θ≈5.2°偏移至更低角度，层间距计算为d≈16.97 Å。N₂吸附-脱附显示SC@MXene气凝胶具有H4型滞后环的II型吸附等温线，孔径主要集中于介孔-微孔过渡区1.5-3.0 nm，为水分子提供丰富的吸附位点和合适的传输通道。TG显示SC@MXene复合物相比纯SC具有更优异的热稳定性和结构稳定性。XPS证实KH550@MXene与SC/CNF基质之间形成了丰富的界面化学键合。

在光热与蒸发性能方面，SC@MXene-1样品在1个太阳光照下蒸发速率达1.95 kg m⁻² h⁻¹，表面温度在5分钟内最高可达56.4°C，平均光吸收效率高达81.3%，源于MXene的宽带光吸收和局域表面等离子体共振效应。暗条件下蒸发速率为0.169 kg m⁻² h⁻¹（纯水为0.071 kg m⁻² h⁻¹），汽化焓显著降低至1043.8 kJ kg⁻¹。拉曼光谱定量拟合显示中间水占总水含量的39.0%。在3个太阳光照下蒸发速率提升至5.35 kg m⁻² h⁻¹；在高盐度环境下蒸发速率稳定在约1.75 kg m⁻² h⁻¹；在强碱性条件（pH=14）下速率降至1.53 kg m⁻² h⁻¹。连续3小时测试中，第二小时蒸发速率提升至2.2 kg m⁻² h⁻¹，表现出良好的运行稳定性。无光照条件下，预沉积在蒸发器表面的0.2 g盐晶体在60分钟内完全溶解，归因于多孔结构提供连续盐离子迁移通道以及不对称润湿性实现定向水传输。

在户外应用方面，2025年10月10日在武汉纺织大学进行的8小时户外测试（多云，8:48-16:48）表明，即使低太阳通量下系统仍实现5.18 kg m⁻²的集水率。以亚甲基蓝和罗丹明B为模型染料，染料分离率高达100%。净化水中Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺浓度分别为36.5、1.2、1.5、1.8 mg L⁻¹，符合世界卫生组织饮用水标准。海水电阻率从219.6 kΩ提升至1.2544 MΩ，强酸性和强碱性溶液的冷凝液呈近中性pH。小麦灌溉实验证实净化水可正常促进作物生长。

研究数据

图1. SC@MXene/毛圈织物复合材料制备示意图。仿生浮萍结构设计与水传输-蒸发功能集成，展示SC、CNF、MXene与Ca²⁺交联网络及毛圈织物互穿锚定架构。

图2. 毛圈织物（a）、SC@MXene气凝胶（b）及SC@MXene/毛圈织物截面（c）的SEM图像；SC@MXene气凝胶EDS光谱及C、N、O、F、Na、Cl、Ca、Ti元素面分布（d-e）；SC、SC/KH550@MXene、MXene和KH550@MXene的FTIR光谱（f）；SC@MXene气凝胶和KH550@MXene粉末的FTIR光谱（g）；SC和SC@MXene气凝胶的XRD谱图（h）；N₂吸附-脱附等温线（i）；TG曲线（j）和DTG曲线（k）。

图3. SC@MXene气凝胶的XPS宽谱（a）及C 1s（b）、N 1s（c）、O 1s（d）、Si 2p（e）、Ti 2p（f）高分辨XPS谱。

图4. 不同MXene浓度气凝胶的压缩回弹曲线（a）和最大压缩应力（b）；不同盐浓度下毛圈织物的芯吸高度（c）及对应芯吸速率（d）；不同样品的水接触角（e）；温度变化曲线（f）及表面红外热成像（g）；不同MXene浓度气凝胶的蒸发速率（h）及表面红外温度图像（i）；SC@MXene气凝胶的太阳光吸收率（j）。

图5. 蒸发装置示意图（a）；暗条件下蒸发速率（b）；不同光照强度下（c）、不同盐浓度下（d）和不同pH值下（e）的蒸发速率；连续三小时蒸发通量（f）；复合材料的拉曼光谱（g）；中间水蒸发示意图（h）；仿生太阳能界面蒸发净化机理（i）；蒸发器耐盐测试（j）。

图6. 废水处理方案示意图（a）；户外实验太阳通量和蒸发效率（b）；染料净化效果及紫外-可见特征吸收曲线（c, d）；净化水小麦种子培养（e）；ICP离子浓度（f）、水电阻率值（g）和收集水pH值（h）。

表1. 海水淡化过程对比。本工作采用编织/冷冻干燥法制备的SC@MXene/毛圈织物蒸发速率为1.95 kg m⁻² h⁻¹，紫外-可见-近红外吸收率81.3%，具备自漂浮能力，综合性能优于多数已报道蒸发器。

研究结论

本研究受浮萍（Spirodela polyrhiza）自悬浮、吸水和传输机制的启发，成功构建了一种基于SC@MXene/毛圈织物的仿生Janus分级多孔蒸发器。底层毛圈织物具有独特的弧形结构，实现了高效水分子传输（20%盐浓度下经向芯吸系数1.33 cm/(min)¹/²，30分钟芯吸高度7 cm），并与上层SC@MXene气凝胶形成互穿结构，显著增强了界面结合强度（50%压缩时压缩应力14.6 ± 0.73 kPa），有效克服了传统光热复合材料的分层倾向。上层SC@MXene气凝胶中连续疏水网络（水接触角131.2°）确保稳定漂浮、隔热和局部加热，MXene的宽带光吸收和局域表面等离子体共振效应赋予复合物81.3%的平均光吸收效率，表面温度在5分钟内升至56.4°C，汽化焓显著降低至1043.8 kJ kg⁻¹。在1个太阳光照下蒸发速率达1.95 kg m⁻² h⁻¹，3个太阳下提升至5.35 kg m⁻² h⁻¹；在高盐度和强碱性（pH=14）条件下仍保持稳定蒸发性能。拉曼光谱定量分析表明中间水占总水含量的39.0%，弱氢键中间水相降低了水脱附能和传质阻力。无光照条件下预沉积盐晶体在60分钟内完全溶解，归因于多孔结构的连续盐离子迁移通道和不对称润湿性的定向水传输。8小时户外测试累计集水量达5.18 kg m⁻²，亚甲基蓝和罗丹明B分离率均达100%，净化水中Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺浓度分别为36.5、1.2、1.5、1.8 mg L⁻¹，符合WHO饮用水标准，海水电阻率从219.6 kΩ提升至1.2544 MΩ，强酸强碱冷凝液呈近中性pH，小麦灌溉实验证实净化水可正常促进作物生长。该蒸发器集高效光热转换、定向水传输和防污性能于一体，为盐碱地区废水净化和海水淡化以保障农业灌溉用水提供了绿色可行的策略。