一种经过MXene沉积和MWCNTs-COOH改性的CNC-PVA气凝胶，用于高效太阳能海水淡化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A CNC-PVA aerogel enhanced with MXene deposit and MWCNTs-COOH for highly efficient solar desalination

针对全球淡水短缺问题，本研究开发了一种基于MXene沉积物（MD）与羧基多壁碳纳米管（MWCNTs-COOH）的亲水气凝胶蒸发器，通过单向冷冻铸造技术构建垂直通道结构，实现109.2%的太阳能-蒸汽转换效率及1.74 kg/m2 h的高蒸发速率，兼具优异机械性能和海水/印染废水脱盐能力，为太阳能蒸发水处理技术提供创新解决方案。

　　在全球淡水资源日益紧张的背景下，太阳能驱动界面蒸发（Solar-Driven Interfacial Evaporation, SDIE）技术因其环保、高效等优势，被视为解决这一危机的重要手段之一。随着人口增长和工业农业技术的不断进步，人类对水资源的需求持续上升，而地球上的淡水资源仅占总水量的约3%，其中大部分以冰川的形式存在，难以直接利用。真正可直接使用的淡水资源比例更少，不足1%。这种稀缺性促使了海水淡化技术的发展，但传统方法如离子交换、多级闪蒸蒸发、反渗透膜、蒸馏和电渗析等，普遍存在能耗高、环境污染严重以及成本高昂等问题。因此，科学家们积极探索更为可持续和高效的解决方案。

为了克服传统技术的局限性，太阳能驱动界面蒸发技术应运而生。该技术利用丰富的太阳能作为能源，通过材料表面的高效吸热，减少热量损失，从而实现海水的快速蒸发。这一过程的关键在于材料的光热转换效率和吸光能力。高效的光热材料能够将太阳光谱中的可见光、近红外乃至中远红外波段的光能高效转化为热能，从而推动水分子的蒸发。为了提高这一效率，研究人员采取了多种策略，如扩展光谱吸收范围、增加吸光面积等，以最大限度地提升材料的光热转换性能。

近年来，多种新型光热材料被开发出来，如半导体材料（如CuS和TiO?）、碳基材料（如碳黑和碳纳米管）、金属材料（如Ag和Cu）以及聚合物材料（如聚吡咯和聚苯胺）。其中，MXene作为一种新型二维材料，因其出色的导电性、高比表面积和良好的亲水性，被广泛应用于能源存储、光催化、电磁屏蔽和传感器等多个领域。此外，MXene还表现出优异的光热转换效率和宽波段吸收能力，使其在太阳能海水淡化技术中具有显著优势。然而，MXene的制备过程复杂，产率较低，成本较高，这限制了其在大规模应用中的可行性。MXene制备过程中产生的大量废料（MXene Deposit, MD）通常被当作废弃物处理，这不仅增加了生产成本，也造成了资源浪费。

针对这一问题，研究人员提出了一种将废料重新利用的策略，即将MXene Deposit转化为功能性材料，以实现环境可持续性和技术创新的双重目标。MXene Deposit的主要成分包括未蚀刻的MAX相、未剥离的多层MXene以及少量的残留单层或多层MXene。尽管如此，MD仍保留了良好的导电性、丰富的亲水性官能团和黑色外观，这些特性暗示其可能具有优良的光热转换性能。因此，将MD重新利用为光热材料，不仅有助于降低MXene材料的生产成本，还能减少废弃物的排放，推动绿色制造的发展。

在太阳能蒸发器的开发中，研究人员采用了多种材料体系。例如，水凝胶、气凝胶、木材和织物等材料被广泛用于构建蒸发器。其中，气凝胶因其低密度、高孔隙率和低热导率，在海水蒸发领域展现出显著优势。气凝胶的高孔隙率可以增加水分子与蒸发材料的接触面积，从而提升蒸发效率。同时，其低热导率能够有效减少热量散失，提高光热转换效率。然而，现有的气凝胶材料在实际应用中仍面临一些挑战，如机械性能较差和亲水性不足，这些问题需要进一步优化和解决。

为了解决这些问题，研究人员将聚乙烯醇（PVA）和纤维素纳米晶体（CNC）作为气凝胶的骨架材料。PVA具有丰富的羟基，可以增强气凝胶的机械强度，同时提高其吸水性和热稳定性。CNC则因其丰富的表面羟基、良好的生物相容性和独特的机械强度，能够显著提升气凝胶的亲水性和整体性能。此外，CNC还可以从含有纤维素的原料中提取，如废棉纤维，从而实现对废弃材料的再利用，降低生产成本。

在光热材料的选择上，研究人员结合了MXene Deposit和羧基化多壁碳纳米管（MWCNTs-COOH）。MXene Deposit虽然具有良好的光热性能，但在长波近红外区域的吸光能力有限，这限制了其在全波段太阳光谱中的应用。而MWCNTs-COOH则具有宽谱吸收和强吸光特性，能够有效补偿MXene在长波区域的不足，从而实现对太阳光谱的更全面利用。此外，MWCNTs-COOH的单维管状结构可以作为有效的纳米间隔物，防止MXene纳米片的重叠，有助于构建开放且相互连通的三维多孔网络。同时，MWCNTs-COOH表面的羧基官能团可以通过氢键等作用增强与MXene之间的界面结合，从而协同提升复合材料的光热转换效率、水传输能力和结构稳定性。

基于上述材料体系，研究人员开发了一种新型的高效率光热转换气凝胶蒸发器，命名为CNC/PVA/MD/MWCNTs-COOH（CPMM）。该蒸发器通过单向冰晶冷冻技术制备，使其内部形成独特的垂直多孔结构。这种结构不仅有利于水分子的高效供给，还能提高盐分回流效率，从而提升整体的蒸发和淡化性能。通过实验研究，CPMM蒸发器在1 kW/m2的太阳光照射下，实现了高达1.74 kg/m2·h的蒸发速率和109.2%的太阳能-蒸汽能量转换效率，表现出卓越的性能。

此外，研究人员对CPMM气凝胶的微观结构、化学组成和机械性能进行了系统分析，并探讨了不同环境条件对蒸发速率的影响。实验结果表明，CPMM气凝胶在海水蒸发测试中表现出良好的光热蒸发和淡化能力，同时具备出色的机械性能，这为其在实际应用中的稳定性提供了保障。该研究不仅为太阳能蒸发器的实用化奠定了坚实基础，还推动了新型光热材料的发展，为实现可持续的海水淡化技术提供了重要支持。

通过将废弃的MXene Deposit重新利用，CPMM蒸发器实现了资源的循环利用，减少了材料浪费，同时也降低了生产成本。这种创新性的材料设计策略为未来海水淡化技术的发展提供了新的思路。随着对光热材料性能的进一步优化和制备工艺的改进，太阳能驱动界面蒸发技术有望在实际应用中发挥更大的作用，为全球水资源短缺问题提供更加环保和高效的解决方案。