具有抗生物污染和耐盐性的 3D PVA/CNFs/MXene 气凝胶蒸发器用于高效太阳能蒸汽生成和废水净化

为解决界面太阳能海水淡化系统蒸发速率、耐盐性和抗微生物性能不足的问题，研究人员以 PVA、CNFs 和 MXene 为材料，通过 GA 缩醛反应交联制备 3D 气凝胶蒸发器。其蒸发速率达 4.30 kg?m-2·h-1，杀菌率高，可净化多种废水，为相关领域提供新方案。

　　

在水资源短缺的大背景下，地球表面 71% 被海水覆盖，可直接利用的淡水仅占全球水资源的 2.5% 左右，如何高效获取淡水成为全球关注的焦点。太阳能驱动的海水淡化与废水净化技术因具有占地面积小、无需额外能源消耗、无污染且成本低等优势，被视为解决淡水短缺问题的极具潜力的可持续方案。然而，该领域目前面临着诸多挑战，开发具有高蒸发速率、耐盐性和抗微生物性能的系统仍是难题。传统的光热转换材料虽各有特点，但在实际应用中，突破自然太阳能辐照强度下的理论蒸发极限并非易事，同时材料在复杂水环境中的稳定性也有待提升。

为攻克这些难题，国内研究人员开展了相关研究。他们的研究成果发表在《Desalination》上。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：通过戊二醛（GA）缩醛反应，将聚乙烯醇（PVA）、纤维素纳米纤维（CNFs）和 MXene（Ti₃C₂T_x）进行交联，结合定向冷冻和冷冻干燥技术制备 3D 气凝胶；以三聚氰胺泡沫（MF）作为支撑和水传输介质，乙烯 - 醋酸乙烯酯共聚物（EVA）作为绝缘层以减少热损失。

研究结果

材料制备与结构特性

通过将 Ti₃C₂T_x MXene 纳米片剥离后与 CNFs、PVA 混合形成均匀溶液，再经冷冻干燥制成具有垂直多孔结构的 3D 气凝胶蒸发器。这种结构有助于捕获光线，提升光热转换效率。

蒸发性能表现

在 1 个太阳光照下，该蒸发器实现了 4.30 kg?m^-2·h^-1的高蒸发速率和 164.3% 的高太阳能蒸汽效率。这主要得益于水蒸发焓的降低（1696 kJ?kg^-1），以及气凝胶的垂直多孔结构和侧面蒸发特性，增强了太阳能吸收、热定位、水传输和耐盐性。户外连续 13 小时实验中，淡水日产量达 64.23 kg?m^-2。

抗生物污染与净化能力

基于 Ti₃C₂T_x的抗菌特性，蒸发器对大肠杆菌的杀菌率达 99%，对超广谱 β- 内酰胺酶大肠杆菌（ESBL-E. coli）的杀菌率为 90%，展现出强大的抗微生物性能。此外，它还能对含有抗生素、染料分子、细菌、重金属及极端酸碱性的废水进行净化。

研究结论与意义

该研究成功制备了 PVA/CNFs/Ti₃C₂T_x（PCM）3D 气凝胶蒸发器，GA 的加入通过缩醛反应提高了气凝胶的机械强度和稳定性。其独特的 3D 多孔网络结构与 Ti₃C₂T_x的光热转换能力相结合，实现了高效的太阳能水蒸发。定向冷冻形成的各向异性垂直通道结构，支持高速水传输和双向离子扩散，使其具备出色的耐盐性。在抗生物污染和废水净化方面的优异表现，凸显了 PCM 气凝胶在长期海水淡化和废水处理中的巨大潜力，为可持续的太阳能脱盐和废水净化提供了一种高效、环保的解决方案，对缓解全球水资源危机和环境保护具有重要的现实意义。