CuS-MXene修饰的三维PVA/SA复合气凝胶用于高性能太阳能界面水蒸发与海水淡化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：CuS-MXene decorated 3D PVA/SA composite aerogels for high-performance solar interfacial water evaporation and desalination

　　

太阳能界面蒸发（solar interfacial evaporation）已成为缓解全球淡水短缺和水污染的高效、环保策略。然而，太阳能利用率低以及无法处理复杂废水仍是关键瓶颈。在此，研究人员合理设计了一种具有垂直排列通道的三维复合气凝胶（PSCM）。通过静电自组装将CuS纳米花与MXene整合，构建光热组件。利用硅烷偶联剂化学交联聚乙烯醇/海藻酸钠（PVA/SA）网络，通过定向冷冻干燥制备了PVA/SA/CuS/MXene（PSCM）气凝胶。PSCM在紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）区域（250–2500 nm）实现了96%的优异宽带光吸收。关键在于，亲水性PVA/SA网络破坏水分子的氢键以生成丰富的“中间水”，将蒸发焓降低至1705 J g^-1。结合环境热能收集，PSCM在1个太阳（1 sun）下实现了3.72 kg m^-2 h^-1的超高蒸发速率（效率137.9%）。此外，浓度梯度驱动快速离子沿对齐通道回流，赋予其优异的抗盐污能力，在20 wt%盐水中仍保持3.25 kg m^-2 h^-1的蒸发速率。该气凝胶还能实现对抗生素、染料、重金属离子及极端pH溶液的全面净化，室外测试日均淡水产量达43.6 kg m^-2。最终，这种多功能气凝胶为先进太阳能水净化提供了一种高度可扩展的策略。

**论文解读：CuS-MXene修饰的三维PVA/SA复合气凝胶用于高性能太阳能界面水蒸发与海水淡化**

**研究背景**
全球淡水短缺与水污染日益严峻，传统海水淡化技术（如反渗透和多级闪蒸）依赖大规模基础设施和化石燃料消耗，导致二次碳排放。因此，发展低能耗、环境友好的分布式水处理技术迫在眉睫。太阳能界面蒸发通过将光子转化为热能并严格局域于空气-水界面，显著提升水蒸发效率并减少向体相水的热损失，成为最具前景的解决方案之一。其核心在于高效光热材料与具有快速水传输通道的支撑基底的协同设计。碳基材料、等离子体金属纳米颗粒和半导体等已被广泛研究，其中MXenes（二维过渡金属碳化物）因宽带光吸收和LSPR（局域表面等离子体共振）效应在近红外区表现突出，但可见光区吸收不足。CuS（硫化铜）半导体凭借窄带隙和LSPR效应在可见及近红外区均有高效吸收，两者复合可互补短板。然而，现有二维蒸发器存在热损失大、盐结晶堵塞等问题，而三维气凝胶结构（如PVA/SA聚合物网络）具有低热导率、高孔隙率及垂直通道设计，可同时实现热局域、快速水补给和离子反扩散，赋予抗盐污能力。因此，研究人员旨在通过静电自组装将CuS纳米花与MXene整合，并构建具有垂直通道的PVA/SA基三维复合气凝胶（PSCM），以实现高效太阳能水蒸发与多功能净化。该研究发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

**关键技术与方法**
研究人员主要采用了以下关键技术方法：（1）**LiF/HCl蚀刻法**：以Ti₃AlC₂（钛铝碳）粉末为前驱体，通过选择性蚀刻Al层制备二维Ti₃C₂T_x（MXene）纳米片；（2）**静电自组装**：将CuS纳米花与表面改性的MXene纳米片通过静电引力结合，构建CuS-Ti₃C₂T_x复合光热材料；（3）**化学交联与定向冷冻干燥**：以聚乙烯醇（PVA）和海藻酸钠（SA）为聚合物基体，加入γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）作为交联剂，通过定向冷冻干燥形成具有规则垂直排列通道的三维气凝胶（PSCM）。

**研究结果**

*Preparation and characterization of CuS-Ti₃C₂T_x composite*
通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征证实，LiF/HCl蚀刻成功制备了超薄片层状Ti₃C₂T_x，且CuS纳米花均匀附着于其表面，两者通过静电自组装形成异质结构，增强了宽带光吸收（250–2500 nm范围达96%）。

*Morphology and structure characterization of PSCM aerogel*
SEM图像显示PSCM气凝胶具有由定向冷冻干燥诱导的垂直对齐宏观通道（约200–300 μm），PVA/SA网络形成多孔骨架，CuS-MXene复合物均匀分布。这种结构有利于毛细水传输和离子快速回流。

*Photothermal properties and wettability*
紫外-可见-近红外光谱（UV-Vis-NIR）表明，PSCM气凝胶在250–2500 nm范围内光吸收率达96%，归因于CuS与MXene的协同效应；接触角测量显示其超亲水性（水接触角接近0°），有利于快速水浸润。

*Solar evaporation performance*
在1个太阳（1 sun）辐照下，PSCM气凝胶的蒸发速率为3.72 kg m^-2 h^-1，光热转换效率达137.9%（超过100%因从环境吸收额外能量）。红外热成像证实蒸发界面温度稳定在约40°C，而体相水温度仅升高2–3°C，表明优异的热局域性。通过DSC（差示扫描量热法）分析，PVA/SA网络破坏了水分子氢键，产生“中间水”，将蒸发焓降至1705 J g^-1。

*Anti-salt-fouling and long-term stability*
在20 wt%高盐水中，PSCM仍保持3.25 kg m^-2 h^-1的蒸发速率，连续8小时测试无盐结晶。垂直通道允许盐离子在浓度梯度下快速向底部扩散，实现自清洁；循环10次后性能无衰减。

*Multifunctional wastewater purification*
PSCM气凝胶对多种污染物实现高效去除：抗生素（如四环素）去除率>90%，有机染料（如亚甲基蓝）去除率>99.9%，重金属离子（如Cu²⁺、Pb²⁺）去除率>99.8%，并能在强酸（pH=1）和强碱（pH=14）溶液稳定工作，产水pH恢复至中性。

*Practical outdoor desalination test*
室外连续10小时测试（日均辐照量约5.5 kWh m^-2），累计淡水产量达43.6 kg m^-2，水质满足世界卫生组织（WHO）饮用水标准。

**讨论与结论**
讨论部分指出，PSCM气凝胶的高性能源于三方面协同：CuS-MXene复合材料的宽带光吸收（96%）、三维垂直通道结构对热局域和盐反扩散的优化，以及PVA/SA网络对水蒸发焓的降低。此外，其多功能净化能力表明该材料在处理复杂废水（含有机物、重金属、酸碱液）方面具有普适性。未来应考虑长期运行的经济性和规模化制备。

结论部分翻译如下：总之，通过定向冷冻干燥工艺和静电自组装策略，研究人员成功开发了一种三维PSCM复合气凝胶蒸发器。从材料设计角度，本工作的主要创新在于CuS和Ti₃C₂T_x的协同杂化，在250–2500 nm波长范围内实现了96%的优异宽带光吸收。结构上，蒸发器具有独特的垂直对齐通道三维架构，结合PVA/SA网络对水分子的氢键破坏，在1个太阳下实现了3.72 kg m^-2 h^-1的超高蒸发速率（效率达137.9%）。此外，该气凝胶表现出卓越的抗盐污能力（20 wt%盐水中仍达3.25 kg m^-2 h^-1），并能有效去除重金属离子、抗生素和有机染料。室外测试中，日均淡水产量达43.6 kg m^-2。这项工作为下一代太阳能水净化系统的设计提供了重要参考。