层次排列的氧化还原石墨烯/MXene泡沫通过双向离子回流实现基于Marangoni效应的耐盐海水淡化

《Journal of Colloid and Interface Science》：Hierarchically aligned reduced graphene oxide/MXene foam enabling Marangoni-driven salt-resistant desalination via bidirectional ion reflux

太阳能蒸发器中盐结晶抑制策略及高效光热材料设计研究。采用冰模板双向结晶法制备层状rGO/MXene泡沫，通过调控多级异质结构实现离子逆向扩散和热梯度定向。验证了该材料体系在25wt% NaCl溶液中连续100小时运行蒸发率达1.76 kg·m?2·h?1的稳定性，其机制源于MXene低热导率导致的局域热累积效应与Marangoni对流协同作用。

　　在面对日益加剧的水资源短缺问题时，科学家们正在积极探索更加高效、可持续的海水淡化技术。传统方法如多效蒸馏、多级闪蒸、电渗析和反渗透等虽然被广泛应用于海水淡化领域，但它们通常依赖大量的化石燃料，导致环境负担加重，并且设备运行成本较高。因此，寻找一种无需外部能源输入、能够高效利用太阳能的新型淡化技术成为研究的重点。

近年来，太阳能驱动的界面水蒸发技术因其高效、环保和低成本的优势，引起了广泛关注。该技术的核心在于将太阳能转化为热能，用于加热蒸发界面，从而促使水发生相变形成蒸汽，再通过冷凝获得纯净水。为了进一步提高淡化效率，研究人员致力于开发高性能的光热转换材料，并优化结构设计。在这一背景下，碳基材料、聚合物、无机半导体纳米材料以及等离子体纳米颗粒等都被用于构建高效的太阳能蒸发装置。

其中，碳基材料因其独特的能带结构、高π电子云密度以及低π键电子结合能，能够实现宽波段太阳能吸收，并具备较高的能量转换效率，成为构建高效太阳能蒸发装置的首选材料。例如，一些研究团队通过设计多孔结构和多层复合材料，成功实现了较高的水蒸发速率和能量转换效率。然而，尽管这些材料在提高淡化效率方面表现出色，但它们在处理高盐度废水时仍面临一些挑战，尤其是盐结晶的形成会影响蒸发效率和装置的长期运行稳定性。

针对这一问题，研究团队提出了一种新型的材料结构设计，即通过冰模板双向冷冻组装技术制备的分层排列的还原氧化石墨烯/MXene（Mr）泡沫。这种材料结构具有高度有序的层状排列和相互连通的各向异性微通道，能够有效降低水的传输阻力和距离，同时促进盐离子的回流，从而减少局部盐结晶的形成。此外，MXene和还原氧化石墨烯（rGO）的协同光热特性，使得该泡沫具备优异的太阳能到热能的转换效率，并且由于其固有的低热导率，能够实现热能的局部累积，减少热量向周围水体的散失。

在实验中，研究团队发现，Mr泡沫在1太阳辐射条件下，能够实现高达2.04 kg/m2/h的水蒸发速率。更令人惊喜的是，在25 wt%的NaCl溶液中，该泡沫能够在连续运行100小时后仍保持稳定的蒸发速率1.76 kg/m2/h，这表明其在处理高盐度废水方面具有良好的应用前景。这一结构设计不仅提高了太阳能蒸发装置的性能，还增强了其在长期运行中的抗盐结晶能力，为实现高效、可持续的海水淡化提供了新的思路。

此外，研究团队还通过有限元模拟验证了Mr泡沫的优异性能。模拟结果显示，该泡沫在光热转换过程中表现出极高的光子到热能的转换效率，并且其低热导率有助于实现热能的局部积累，从而减少热量的散失。这一特性使得Mr泡沫能够在较低的热损失情况下实现高效的蒸发过程，进一步提升了其在太阳能淡化中的应用价值。

在实际应用中，Mr泡沫的结构设计不仅考虑了材料的性能，还结合了环境因素。例如，通过在液-气界面建立陡峭的温度梯度，该泡沫能够激活马朗哥尼对流，从而增强毛细作用，同时形成盐离子的浓度极化效应，促使盐离子向低温区域扩散，实现逆向盐传输，最终达到持续的抗盐结晶蒸发效果。这种机制有效地避免了盐结晶对蒸发效率的影响，提高了装置的运行稳定性。

综上所述，Mr泡沫的结构设计和性能优化为太阳能驱动的海水淡化技术提供了新的解决方案。通过结合多种材料的优势，该泡沫不仅实现了高效的光热转换，还有效减少了盐结晶的形成，提高了装置的运行效率和稳定性。这一研究为未来开发更加高效、可持续的海水淡化技术奠定了坚实的基础，并为应对全球水资源短缺问题提供了重要的技术支持。