基于MXene/芳纶纳米纤维气凝胶的自清洁太阳能蒸发器用于高效海水淡化

《Advanced Materials Interfaces》：A Self-Cleaning Solar Evaporator Based on MXene/Aramid Nanofiber Aerogels for Efficient Water Desalination

　　

由于太阳能界面蒸汽生成（interfacial solar steam generation）具有高能量转换效率和广泛的太阳能可及性，为盐水淡化提供了一种前景广阔且成本低廉的解决方案。然而，蒸发器表面的盐分积累仍然是一个重大挑战，尤其是在高盐度环境中，因为盐分堵塞显著阻碍了蒸发过程的效率和连续性。盐分积累还会随时间推移严重劣化蒸发器表面，降低其性能和效率。研究人员已探索了多种策略，包括表面改性、分级结构设计和蒸发器防垢涂层等。尽管取得了令人鼓舞的成果，但在最大蒸发速率与能量效率之间实现最佳平衡，仍是该研究领域一项复杂且持续的挑战。本研究引入了定制设计的圆柱形MXene/芳纶纳米纤维（MXene/aramid nanofiber, MXene/ANF）气凝胶作为自清洁太阳能蒸发器，其可耐受高盐度条件，并实现了高达约2.26 kg m?2 h?1的蒸发速率，效率约为80%。这种自旋转光热蒸发器展现出由累积盐晶体触发的周期性自再生旋转，以维持其效率和性能。这些发现代表了太阳能热淡化技术在现实应用中的重大进步，并为高效水净化提供了可持续的解决方案，尤其是在高盐度环境中。

一、研究背景与问题

全球水资源短缺问题因环境污染加剧和人口快速增长而日益严峻。海水淡化技术如真空蒸馏和反渗透虽已在全球范围内应用，但存在运行成本高、维护复杂和能耗大等缺点，限制了其大规模推广。界面太阳能蒸汽生成（interfacial solar steam generation）作为一种低成本、清洁且可再生的淡水生产技术，被视为极具前景的替代方案。近年来，宽带光热转换材料和有效热管理方法的发展已使系统太阳能利用效率超过90%。

然而，太阳能驱动界面蒸发在海水淡化应用中面临一个关键挑战——蒸发器表面的盐分积累（salt accumulation）与污损。在阳光照射下，盐水中的非挥发性盐分会逐渐在光热材料表面积累，通过阻挡光吸收和蒸汽逸出而降低蒸发效率，并随时间推移劣化蒸发器表面。为解决这一问题，研究人员已探索了仿生水传输结构、表面改性、分级结构设计等多种策略，但在高盐度条件下，这些结构在防止盐分积累方面的效果仍不理想。现有后处理方法如机械清洗和水冲洗虽能去除盐沉积，但前者增加劳动和设备成本，后者消耗宝贵淡水，在海水淡化中适得其反。因此，亟需开发一种无需复杂或资源密集型后处理即可最大限度减少盐分积累的高效、经济且可持续的解决方案。

二、研究内容与意义

针对上述挑战，本研究提出了一种自旋转太阳能蒸发器（self-rotating solar evaporator）的概念，利用MXene（Ti₃C₂T_x）作为高效光热转换材料，芳纶纳米纤维（aramid nanofiber, ANF）作为结构支撑骨架，构建了圆柱形MXene/ANF气凝胶蒸发器。MXene凭借其局域表面等离子体共振效应展现出优异的光热转换效率，而ANF源自芳纶纤维（aramid fibers, AF）的化学去质子化过程，具有优异的热稳定性、机械强度和表面可调性。两者的协同组合既利用了芳纶的机械韧性和高温耐受性，又发挥了MXene的卓越光吸收和光热转换能力，同时圆柱形自旋转设计有效防止盐分积累，确保长期连续高效运行。该系统在高盐度条件下实现了约2.26 kg m^?2 h^?1的高蒸发速率和约80%的能量效率，并展现出强大的长期运行稳定性，消除了以往光热蒸发器在耐盐性与运行稳定性之间的权衡，为高性能、长寿命的太阳能热淡化系统提供了可行路径。

三、关键技术方法

研究人员采用以下主要关键技术方法开展研究：一是通过KOH/DMSO溶液去质子化芳纶纤维制备ANF分散液，经冷冻、溶剂交换和冷冻干燥工艺获得圆柱形ANF气凝胶；二是采用LiF/HCl蚀刻溶液的MILD（minimally intensive layer delamination）工艺制备Ti₃C₂T_x MXene；三是通过喷涂涂层法将MXene均匀修饰于ANF圆柱表面，构建MXene/ANF太阳能蒸发器；四是利用氙灯太阳光模拟器（Newport Model 67005）在1–2个太阳强度下开展界面太阳能蒸汽生成实验，结合电子天平记录质量变化、红外热像仪（FLIR）监测表面温度，并在去离子水、海水和20% NaCl溶液中进行淡化和自清洁性能测试。

四、研究结果

4.1 ANF分散液、圆柱形ANF气凝胶及MXene/ANF太阳能蒸发器的制备

研究人员首先将块状芳纶纤维通过KOH/DMSO溶液去质子化处理，使酰胺键去质子化生成带负电的聚阴离子，获得ANF分散液。以圆柱形玻璃瓶为模具，将ANF分散液（20 mg mL^?1）冷冻24小时稳定结构，随后浸入4°C去离子水中促进脱模，去离子水作为质子溶剂使ANF重新质子化并形成由氢键连接的三维多孔网络，将ANF分散液转变为ANF水凝胶。经过10天的去离子水溶剂交换和20天的去离子水/IPA（3:1）混合溶剂交换，完全去除DMSO后，经冷冻和冷冻干燥72小时获得圆柱形ANF气凝胶。该气凝胶密度低至0.0345 g/cm³，具有自漂浮特性，水接触角约60°，表现出亲水性，且热稳定性可维持至约508°C。通过喷涂涂层法将MXene修饰于ANF圆柱表面后，水接触角降至约28°，亲水性显著增强。SEM图像显示ANF气凝胶具有三维纳米纤维网络和多孔结构，内部存在水通道，MXene涂层后底层多孔网络保持完整。EDS映射确认了Ti、C、O、N元素的存在，XRD和拉曼光谱分析进一步证实了MXene成功整合至ANF表面。

4.2 MXene/ANF蒸发器的光热转换性能及自清洁机制

4.2.1 光热转换性能

在200–2500 nm宽光谱范围内，纯ANF圆柱气凝胶在可见光至近红外区域光吸收率较低，仅在蓝光和紫外区域表现出高吸收，这归因于其聚合物结构中芳香环和共轭键的存在。经MXene修饰后，MXene/ANF蒸发器在整个紫外、可见和近红外光谱范围内均表现出高光吸收率，这得益于MXene独特的二维结构和电子特性。在1个太阳强度下，MX10/ANF蒸发器在20% NaCl盐水中实现1.72 kg m^?2 h^?1的蒸发速率，太阳能转换效率达92%。在2个太阳强度下，MX10/ANF蒸发器的蒸发速率达2.26 kg m^?2 h^?1，显著高于ANF圆柱的1.25 kg m^?2 h^?1。表面温度监测显示，MXene/ANF蒸发器在5分钟内从初始44.6°C迅速升至56.4°C并维持高温，而ANF圆柱仅从30.9°C缓慢升至41.0°C。约50分钟后蒸发器发生旋转，暴露未加热表面导致表面温度明显下降。

4.2.2 自清洁机制与淡化性能

在200 g L^?1 NaCl盐水中，蒸发器通过毛细作用吸取溶液并开始蒸发，顶部表面盐浓度逐渐升高并最终积累盐晶体。当盐积累达到一定量时，不对称盐积累产生的重力扭矩克服圆柱体的恢复浮力，触发蒸发器自旋转，使盐覆盖表面浸入本体溶液中溶解盐晶体，暴露新鲜表面恢复蒸发性能。该自清洁机制使蒸发器在10小时测试期间保持高效运行，蒸发速率稳定。在海水中1个太阳强度下连续运行约24小时，平均蒸发速率达1.81 kg m^?2 h^?1，性能无显著退化。旋转前后15分钟间隔分析显示，蒸发速率从2.72 ± 0.72 kg m^?2 h^?1降至2.35 ± 0.69 kg m^?2 h^?1，随后随新表面重新加热逐渐恢复。在实际淡化实验中，20% NaCl溶液经90分钟蒸发冷凝后收集的冷凝水电阻从26.56 KΩ显著升至1.71 MΩ，证实了高效脱盐能力。

五、总结与结论

本研究开发的圆柱形MXene包覆ANF气凝胶蒸发器在高盐度条件下长时间运行中展现出稳定的蒸发速率，其自清洁功能由独特的自旋转设计驱动，有效管理盐分积累，确保高盐度环境中连续高效运行。该创新方法解决了传统蒸发器常见的盐分污损和能量效率低下问题，展示了MXene/ANF蒸发器作为太阳能驱动淡化领域具有韧性和可持续性的解决方案。其可扩展性和高效性使其成为实际淡化应用的有力候选者，为从高盐度水源生产淡水提供了经济且环保的替代方案。