基于回收碳烟制备二维MXene复合材料及其太阳能驱动海水淡化应用研究

本研究针对传统MXene合成成本高、不可持续的问题，创新性地利用车辆尾气废料碳烟(CS)作为碳源制备Ti3C2Tx MXene，并构建MXene/AC@CF分级结构用于太阳能界面蒸发。该系统在1 kW m?2光照下实现1.6 kg m?1 h?1蒸发速率和77.8%转换效率，为绿色材料合成与可持续海水淡化提供了新范式。

　　

淡水资源短缺已成为全球性挑战，而传统海水淡化技术存在能耗高、碳排放大的弊端。太阳能驱动界面蒸发技术因其利用清洁能源、仅加热气液界面等特点备受关注，但其核心材料——光热转换器的性能与成本制约着实际应用。当前主流MXene材料虽具有优异导电性和亲水性，但其前驱体MAX相依赖商业原料，合成过程涉及强腐蚀性氢氟酸，成本高昂且环境风险大。与此同时，车辆尾气产生的碳烟(CS)作为环境污染物，含有丰富碳元素却缺乏高值化利用途径。

马来西亚Sunway大学研究团队在《Separation and Purification Technology》发表的研究中，开创性地将CS废物转化为Ti₃C₂T_x MXene，并构建MXene/活性炭(AC)@椰壳纤维(CF)三级结构用于海水淡化。该工作通过HRTEM、SEM、XRD等表征证实材料成功合成，在标准光照条件下实现1.6 kg m^?1 h^?1的蒸发速率，光热转换效率达77.8%，且脱盐后水质符合饮用标准。

关键技术方法
研究采用CS与钛、铝粉末通过高温固相反应合成Ti₃AlC₂ MAX相，经LiF/HCl溶液选择性刻蚀获得MXene。将MXene与AC复合后通过浸渍法负载于CF基底，形成具有毛细作用、光吸收和热局域化协同效应的三维结构。通过太阳能模拟器测试蒸发性能，并采用ICP-OES分析脱盐水离子浓度。

研究结果

实验部分
通过控制CS粒径和煅烧温度优化MAX相合成，刻蚀后MXene呈现典型层状结构，XRD显示(002)晶面峰位移证实成功剥离。AC的引入使复合材料比表面积提升3倍，UV-Vis显示其太阳光吸收率达95%。

结果与讨论
CF的微米级孔隙提供高效水传输通道，MXene的金属特性实现光热转换，AC增强光捕获能力。热成像显示材料表面温度在10分钟内升至68°C，证实热局域化效应。在3.5 wt%盐水蒸发测试中，材料表现出优异抗盐结晶能力，连续工作20小时性能无衰减。

结论与意义
该研究首次实现CS到MXene的闭环转化，相比轮胎回收碳源工艺减少75%酸用量。MXene/AC@CF复合材料通过多尺度结构设计突破传统光热材料效率瓶颈，其蒸发速率较纯MXene提升41%。这项工作为废弃物资源化与清洁水生产提供了双重解决方案，推动MXene在环境领域的应用边界。研究还指出未来可通过调控MXene表面终端基团(-O/-OH)进一步优化材料亲水性，为功能化设计提供新思路。