隨著人類(lèi)社會(huì)的快速發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，水污染和水資源短缺已成為世界各國(guó)普遍關(guān)注的問(wèn)題。到目前為止，人們已開(kāi)發(fā)出諸多從海水或廢水中生產(chǎn)清潔水的方法。然而，這些方法大多依賴(lài)于高耗能和整體集中的規(guī)?；O(shè)備和設(shè)施，限制了它們?cè)谄h(yuǎn)地區(qū)和近海島嶼等區(qū)域的實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái)，基于太陽(yáng)能的水蒸發(fā)裝置正被應(yīng)用于海水淡化和廢水處理。在蒸發(fā)過(guò)程中，太陽(yáng)能被界面蒸發(fā)層吸收并轉(zhuǎn)化為熱量，用于蒸發(fā)處理海水或廢水。與太陽(yáng)能直接加熱海水或廢水的方法相比，界面太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)可以將熱量聚集在水蒸發(fā)層，以有效用于蒸發(fā)水。盡管基于太陽(yáng)能的水蒸發(fā)技術(shù)在海水淡化與廢水凈化方面具有廣泛的應(yīng)用前景，但如何高效利用太陽(yáng)能以及提高太陽(yáng)能蒸發(fā)水效率是關(guān)鍵。
近日，北京化工大學(xué)于中振教授與李曉鋒教授團(tuán)隊(duì)采用金屬離子凝膠法制備了具有親水和多孔結(jié)構(gòu)的光熱轉(zhuǎn)化水蒸發(fā)氣凝膠膜材料，用于從海水或者廢水中制備潔凈水。作者選用二價(jià)鐵離子作為絮凝劑，具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換能力的過(guò)渡金屬碳化物(MXene)作為光熱轉(zhuǎn)化材料，采用二價(jià)鐵離子絮凝MXene納米片層，然后通過(guò)真空抽濾、冷凍干燥等工藝制得具有多孔結(jié)構(gòu)和親水的二維氣凝膠膜，用于高效太陽(yáng)能水蒸發(fā)、海水淡化和廢水凈化。
圖1. 多孔MXene氣凝膠膜用于光熱蒸發(fā)水的示意圖
傳統(tǒng)的二維太陽(yáng)能水蒸發(fā)MXene膜材料，其內(nèi)部密度較大，水分子須通過(guò)MXene片層間隙傳輸，易于導(dǎo)致供水量不足，不利于高效快速蒸發(fā)水。此外，傳統(tǒng)的蒸發(fā)膜材料表面平滑，不利于太陽(yáng)光吸收和水蒸發(fā)。
本研究采用亞鐵離子引發(fā)MXene納米片層絮凝、冷凍干燥的方法制備了具有粗糙表面、多孔結(jié)構(gòu)和親水的亞鐵離子交聯(lián)MXene氣凝膠膜，用于太陽(yáng)能蒸發(fā)水。由于亞鐵離子的交聯(lián)作用，MXene氣凝膠膜在水中表現(xiàn)出良好結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并保持了MXene高親水性。與傳統(tǒng)的真空過(guò)濾方法制得的致密MXene太陽(yáng)能水蒸發(fā)膜相比，MXene氣凝膠膜的粗糙表面和眾多親水微通道不僅有利于太陽(yáng)能的有效吸收和利用，而且保證了水分從氣凝膠膜底部迅速向上輸送到蒸發(fā)表面。MXene氣凝膠膜在1個(gè)和10個(gè)模擬太陽(yáng)光強(qiáng)輻照下的蒸發(fā)效率分別為94.3%和91.7%,平均蒸發(fā)速率分別為1.67和14.52 kg·m-2·h-1, 優(yōu)于大多數(shù)MXene基太陽(yáng)能水蒸汽生成裝置。作為應(yīng)用驗(yàn)證，該MXene氣凝膠膜蒸發(fā)器可以高效淡化天然海水和純化含有甲基橙和亞甲基藍(lán)的有機(jī)廢水，表現(xiàn)出高水蒸發(fā)效率和水純化效果。
