将太阳能蒸发技术与先进的氧化降解技术相结合：一种基于MXene与水凝胶的协同水处理平台

《Nano Energy》：Bridging solar evaporation and advanced oxidative degradation: A MXene-hydrogel platform for synergistic water treatment

双网络水凝胶通过整合MXene的太阳能蒸发与高级氧化过程，实现高效水处理。研究显示APMX2水凝胶在太阳能蒸发下3.07 kg·m?2·h?1的高蒸发速率，同时96.13%降解亚甲基蓝和91.70%降解磺胺甲噁唑，并保持10次循环后90%的稳定性。

　　全球水资源污染问题日益严重，已经成为威胁人类健康和生态环境的重要挑战。工业废水、农业径流和生活污水的大量排放，导致水体中有机微污染物的浓度不断上升。这类污染物通常具有化学稳定性，并能在生物体内累积，因此对传统水处理技术提出了更高的要求。与此同时，淡水资源短缺问题也愈发严峻，这使得开发高效、节能的水处理技术成为当务之急。针对这些问题，科学家们不断探索新的解决方案，以实现水的高效回收与污染物的同步去除。

本文介绍了一种创新的双网络水凝胶材料，该材料结合了界面太阳能蒸发（ISE）和高级氧化工艺（AOPs），旨在同时提升水处理效率和能源利用水平。该水凝胶由聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙烯醇（PVA）和MXene组成，其中MXene是一种二维过渡金属碳化物，因其在宽波段太阳能吸收、金属导电性、表面亲水性和可调表面终止基团（如-OH、-F、=O）等特性，成为ISE和AOPs领域的理想材料。MXene的引入不仅提升了水凝胶的光热转换效率，还通过促进氧化剂的分解，生成了多种反应性氧化物种（ROSs），从而增强了污染物的降解能力。

在实验设计中，研究人员首先通过选择性蚀刻Ti?AlC?粉末，合成了Ti?C?T? MXene。随后，采用两步交联策略，将MXene纳米片嵌入PAM-PVA双网络结构中，从而构建出具有机械稳定性和高效水传输能力的水凝胶。通过UV–vis–NIR光谱分析，研究人员发现，随着MXene含量的增加，水凝胶对宽波段太阳能的吸收能力显著增强，这为实现高效的光热转换奠定了基础。同时，红外热成像技术的应用显示，MXene含量较高的水凝胶在模拟太阳光照射下，表面温度能够迅速上升并达到热平衡，表明其具备优异的光热响应性能。

实验结果表明，该水凝胶在太阳能驱动下表现出卓越的水蒸发性能。在1000 W/m2的模拟太阳光照射下，APMX?水凝胶的蒸发速率达到了3.07 kg·m?2·h?1，远高于纯水的蒸发速率。这一性能的提升主要归因于MXene纳米片的引入，其不仅增强了水凝胶对太阳能的吸收能力，还通过降低蒸发焓，提高了水蒸发的效率。此外，水凝胶的多孔结构为水的快速传输提供了便利，同时有助于污染物与氧化剂的有效接触，从而促进了污染物的降解。

在污染物降解方面，该水凝胶同样表现出色。通过使用过硫酸铵（APS）作为氧化剂，APMX?水凝胶能够在24小时内将甲基蓝（MB）染料降解96.13%，将抗生素磺胺甲噁唑（SMX）降解91.70%。这些结果表明，该水凝胶能够有效去除多种有机污染物，同时实现水的回收。值得注意的是，实验还验证了该水凝胶在实际环境中的性能稳定性。在连续10次循环测试中，水凝胶仍能保持约90%的降解效率，这为其在实际应用中的可靠性提供了重要保障。

为了进一步揭示该水凝胶的降解机制，研究人员通过密度泛函理论（DFT）模拟，分析了MXene激活APS的过程。MXene表面的低价过渡金属活性位点（如Ti3?）能够优先吸附过硫酸盐（S?O?2?），并通过电子转移促进过氧化物键的异裂，从而生成高活性的硫酸根自由基（SO?•?）。这些自由基随后与污染物分子发生反应，通过电子转移、氢原子提取或加成反应等方式，引发污染物的链式氧化降解过程。同时，硫酸根自由基还能与水分子反应，生成羟基自由基（•OH）等其他强氧化性物种，进一步拓宽了该系统的氧化能力。此外，硫酸根自由基还能与羟过氧根（HO??）反应，生成单线态氧（1O?），从而通过非自由基氧化路径降解污染物。最终，Ti3?的再生则依赖于其从Ti??中获得电子，这一过程可以通过MXene自身的导电性或污染物的电子供体特性实现，确保了水凝胶的长期催化活性。

为了验证该水凝胶在实际环境中的应用潜力，研究人员在户外条件下进行了实验。实验时间为2025年5月6日的9:00至16:30，期间监测了环境温度、湿度和太阳辐射强度。结果表明，APMX?水凝胶在自然光照射下，能够在一天内将MB的特征吸收峰（664 nm）几乎完全消除，降解效率超过98.56%。同时，水凝胶的蒸发速率达到了11.95 kg·m?2·d?1，水收集速率达到6.68 kg·m?2·d?1。尽管实际应用中存在系统封闭性和冷凝效率的限制，但收集的水样通过紫外-可见光谱分析显示，其完全不含染料，表明其具有很高的水质纯度。这一结果验证了该水凝胶在真实环境下的高效性和实用性。

此外，该水凝胶的结构设计使其具备良好的机械稳定性和可扩展性。通过调整MXene的含量，研究人员能够优化水凝胶的性能，使其在保持高效蒸发的同时，实现对多种污染物的同步降解。实验还表明，水凝胶的多孔结构和丰富的功能基团能够促进中间水的形成，从而进一步降低蒸发焓，提高整体的能源利用效率。这些特性使其成为一种具有广阔前景的可持续水处理平台，特别适用于偏远地区或缺乏传统基础设施的场景。

本文的实验部分详细描述了水凝胶的合成过程和表征方法。合成过程中，首先将PVA溶解于去离子水中，随后加入AM、MBAm、LAP等前驱体，通过紫外光照射实现自由基聚合，形成初级PAM网络。之后，将紫外固化后的水凝胶浸入含有GA和HCl的溶液中，通过化学交联形成稳定的双网络结构。表征方面，采用了扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱等多种技术，以全面评估水凝胶的微观结构和化学组成。这些表征手段不仅验证了MXene的成功引入，还揭示了其与聚合物网络之间的强相互作用。

在实际应用测试中，研究人员使用MB和SMX作为目标污染物，评估了水凝胶的净化能力。实验结果显示，水凝胶在模拟废水中的降解效率显著高于纯水。通过紫外-可见光谱分析，可以观察到污染物浓度随时间的显著下降，表明其具备高效的光催化降解能力。同时，水凝胶的机械性能和可重复使用性也得到了验证，其在多次循环后仍能保持较高的性能水平。这些结果为该水凝胶在实际水处理中的应用提供了坚实的理论和实验基础。

综上所述，本文提出了一种基于MXene的双网络水凝胶/APS系统，该系统通过集成ISE和AOPs技术，实现了水的高效回收与污染物的同步去除。MXene的引入不仅提升了光热转换效率，还通过激活氧化剂，生成了多种反应性氧化物种，从而增强了污染物的降解能力。实验结果表明，该水凝胶在多种水体条件下均表现出优异的性能，其在户外环境中的实际应用也验证了其在可持续水处理领域的潜力。未来，该技术有望成为解决全球水污染和淡水资源短缺问题的重要工具，为实现绿色、高效、可持续的水处理方案提供了新的思路。