科学网—青岛大学张宪胜等：三维MXene沉积物复合气凝胶蒸发器用于高效产生太阳能蒸汽
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2024-7-16 09:25
| 系统分类: 论文交流
研究背景
界面式太阳能光热转换海水淡化技术因其绿色环保的特性被认为是解决未来淡水危机的有效途径。然而，制备一种具有高效、稳定和耐盐的蒸发器仍是有待解决的关键性挑战。MXene具有100%的内部光热转换效率，作为光热材料受到了广泛关注。目前MXene的制作工艺普遍存在效率较低的问题，并产生一些MXene沉积物“垃圾”。MXene沉积物(MS)在超级电容器、电磁屏蔽和智能可穿戴等领域得到大量研究。然而，这些“垃圾”MS作为性能优异的光热转换材料，还没有研究应用于海水淡化领域。
MXene Sediment-based Poly(vinyl alcohol)/ Sodium Alginate Aerogel Evaporator with Vertically Aligned Channels for Highly Efficient Solar Steam Generation
Tian Wang, Meng Li, Hongxing Xu, Xiao Wang, Mingshu Jia, Xianguang Hou, Shuai Gao, Qingman Liu, Qihang Yang, Mingwei Tian, Lijun Qu, Zhenhua Song*, Xiaohu Wu*, Lili Wang* & Xiansheng Zhang*
Nano-Micro Letters (2024)16: 220
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01433-1
本文亮点
1. 创新性地将 MXene 沉积物用作 海水淡化 的光热材料。
2. 受天然木材蒸腾过程的启发，创新性地制备了具有 垂直排列通道 的三维 MXene 沉积物/聚乙烯醇/ 海藻酸钠 气凝胶蒸发器。
3. 气凝胶蒸发器具有优异的 光热转换效率 、耐盐性和抗生物/油/特殊环境等性能。
内容简介
青岛大学张宪胜/王莉莉、山东高等技术研究院吴小虎等人 创新制备了一种具有垂直多尺寸孔隙的聚乙烯醇/海藻酸钠(PVA/SA)和MXene沉积物复合的三维立体气凝胶蒸发器(PSMS)，并进一步设计组装了太阳能“自漂浮蒸汽冷凝回收装置”。该装置以棉棒作为水传输通道，聚丙烯作为蒸发器的支撑物漂浮在海面上，保证蒸发器的正常运行。此外，由于三维气凝胶具有一定的高度，在蒸发过程中，利用气凝胶的侧面作为冷蒸发面，可通过与周围环境的温差从环境中获取能量，进一步提高蒸发器的蒸发速率和能量转换效率。该蒸发器暴露高度为2.5cm时，在一个太阳光下的蒸发速率高达3.6 kg m⁻2 h⁻1，室外连续7小时测试可实现18.37 kg m⁻2的蒸发量。通过定向冷冻设计出具有各向异性垂直通道结构的太阳能蒸发器支持高速水传输并促进双向盐离子扩散，在自然光条件下连续蒸发14天，蒸发器表面也没有盐结晶析出，表现出优异的耐盐性能。另外，SA和MXene赋予的超亲水性使其表面形成了水膜层，赋予了蒸发器良好的疏油性能，即使在有油污的海水中仍然可以维持长期稳定的蒸发性能。
图文导读
I PSMS气凝胶的构建与表征
图1所示为PSMS气凝胶蒸发器的制备过程，黄铜在液氮中预冷，将混合溶液倒入定制的模具中，定向冷冻后干燥。图2a-c所示为MXene沉积物的实物图及TEM图像，结果表明MS中含有未刻蚀的MAX相(图2b)，蚀刻后的多层和单层的MXene纳米片(图2c)。图2d-i所示的SEM图像显示定向冷冻的PSMS气凝胶有着层次清晰、排列有序的垂直通道，平均孔径约为10-70 μm的多边形孔隙，同时MXene沉积物、海藻酸钠和PVA聚合物交织形成了0.5-2 μm的通道壁。图2j所示为 EDS 图像，C、O、Ti和F元素在整个区域中的均匀分布验证了MXene沉积物在多孔PVA和SA网络结构中的均匀分布。
图1. PSMS气凝胶 的制备。
图2 . PSMS气凝胶的结构表征：(a)收集的高浓度MS(上)，斜坡静置一个小时后的形状(下)；(b)MS中Ti₃AlC₂的TEM图；(c)MS中m-MXene 和MXene的TEM图像；(d-f)PSMS气凝胶的横向SEM图；(g-i)PSMS气凝胶的纵向SEM图；(j)气凝胶的EDS元素分布图。
图3a显示了PSMS气凝胶的超轻特性，其中直径2厘米，高2.5厘米的气凝胶放置在小麦上而不会引起变形，说明PSMS气凝胶具有密度低，孔隙率高的优异特性。Ti₃AlC₂、MXene、MS和PSMS气凝胶的XRD谱图如图3b所示，MS同时具有Ti₃AlC₂(9.53°、39°)和MXene(6.78°)的特征峰，这进一步证实了沉积物中存在未刻蚀的MAX相、未完全剥落的多层以及残留的单层MXene。图3c FTIR图像显示，与PVA (-OH 3284 cm⁻1)和SA (C-O-C 1592 cm⁻1)的峰相比，PS气凝胶的峰向更高的波段移动(3305和1604 cm⁻1)，表明PVA和SA之间存在分子间和分子内氢键相互作用。MS的加入使PSMS气凝胶的羟基峰向低波数区域移动了30 cm⁻1，这表明MXene沉积物中存在的极性末端基团(-F、-O和-OH)可以与PS气凝胶上丰富的-OH基团建立分子间氢键。通过XPS分析了PSMS气凝胶中元素的组成及化学状态(3d-f)。
图3. PSMS气凝胶中不同组分之间的相互作用：(a)PSMS气凝胶轻质图；(b)Ti₃AlC₂、MS、MXene和PSMS气凝胶的XRD测试图；(c)PVA、SA、PS和PSMS的FTIR光谱；(d)Ti₃AlC₂、MXene、MS和PSMS气凝胶的全XPS光谱；(e，f)XPS测试。
I I PSMS气凝胶的亲水性、光吸收和热管理性能
图4a表明只需2.5 s, 水滴就完全被PSMS复合气凝胶吸收，这源于SA含有大量的羧基和羟基，SA与PVA之间的氢键作用。紫外可见近红外(UV-Vis-NiR)吸收光谱(图4b)显示，PSMS气凝胶在300-2500 nm范围内具有较低的透射率(~0%)和反射率，MS含量最低的PSMS-5型气凝胶蒸发器的吸光率达到96%，而MS含量最高的PSMS-6型气凝胶蒸发器的吸光率达到98%。PSMS气凝胶对光的良好吸收是MS的强吸收效应和垂直多孔通道共同作用的结果。在1KW m⁻2模拟太阳光照下，使用红外热像仪测量气凝胶在干燥和润湿状态下的表面温度，300 s后分别达到54℃和25.6℃(图4c)，表明气凝胶具有良好的光热转换性能。将干燥的PSMS气凝胶放置在80℃的热板上(图4d)，气凝胶顶部的温度保持在32°C左右说明说明了蒸发器具有较好的隔热性能和优异的热局域化。图4e不同光照角度的升温情况表明表明了PSMS蒸发器对光照方向的依赖性低。此外，为了验证该传热模型的准确性，使用 COMSOL Multiphysics 软件模拟了5分钟内PSMS -1气凝胶干湿表面的升温情况，与实际温度的差异分别为0.7°C和0.6°C。数值模型与实验数据吻合较好，证实了该传热模型的准确性。
图4. PSMS气凝胶的亲水性、光吸收和热管理性能:(a)润湿性；(b)PSMS-1、PSMS-5、PSMS-6气凝胶的吸收光谱；(c)PSMS-1气凝胶在1次阳光照射下干、湿状态下的升温情况；(d)干燥状态下的PSMS-1气凝胶在热板上的红外图像;(e)PSMS-1气凝胶在不同入射角下的温度变化(f)COMSOL模拟计算PSMS -1气凝胶在干湿两种状态下5 min内快速升温的表面温度。
图5a-c表明，随着MS的含量越高，气凝胶浓度越低，蒸发性能越好，这是因为MS含量越高，光热转换能力越强。气凝胶浓度的降低，水作为间隔剂越多，冷冻干燥后气凝胶蒸发器内部的孔径就越大，导致蒸发量得到了提高。随着高度增加蒸发量也增加(图5d)，在投影面积一致的情况下，3D蒸发器侧壁面积提供了额外的水/空气界面，侧表面温度低于环境温度，有利于从周围环境中获得额外的能量。随着光照强度的增加，即使暴露在10次光照循环(1KW m⁻2)下，其蒸发速率也基本稳定在3.6 kg m⁻2 h⁻1左右(图5e)。如图(5g-h)所示，PSMS-1气凝胶在20%wt盐溶液中的蒸发速率可以保持大约在3.5 kg m⁻2 h⁻1。蒸发器的耐盐性能可归因于定向冷冻所形成的垂直有序的微观通道结构，导致饱和溶液中溶解的盐离子会沿着输水通道逐渐回流到海水中(图5h)。通过对比(图5i)，本文设计的PSMS三维立体蒸发器的蒸发速率明显高于目前报道的绝大多数MXene三维蒸发器。
图5. PSMS气凝胶的蒸发性能：(a)太阳能蒸发实验装置示意图(b)不同浓度的PSMS(2.5 cm)蒸发器的蒸发水质量变化；(c)不同MS含量的PSMS(1；5；6)(2.5 cm)蒸发器的蒸发水质量变化；(d)不同高度PSMS蒸发器的蒸发水质量变化；(e)在1-5个太阳光条件下PSMS(2.5 cm)蒸发器的蒸发水质量变化；(f)1个太阳光下10次水循环的蒸发速率；(g)不同盐浓度的蒸发水质量变化；(h)盐-水交换示意图；(i)不同MXene光热材料蒸发器的蒸发速率对比。
I I I MXene沉积物复合气凝胶蒸发器的应用
图6a所示疏油性，PSMS蒸发器表面注射植物油，证明了PSMS蒸发器出色的抗油污性。如图6b所示，PSMS的固体琼脂板上几乎没有细菌的生长，表明其具有优越的抗菌性，抗菌率均高于99.9%。为了进一步评估PSMS气凝胶蒸发器在自然光照下海水淡化的实际应用，从10:00-17:00，PSMS蒸发器冷凝装置收集到淡水总量为18.37 kg m⁻2。使用ICP-OES测试海水净化前后的Ca2⁺、K⁺、Mg2⁺和Na⁺的浓度。如图6g所示，净化后的金属离子浓度有明显的下降，达到世界卫生组织(WHO)和美国环境保护署(EPA)对饮用水含盐量的标准。
图6. 蒸发器的应用：(a)PSMS-1蒸发器水下油污逃逸宏观图；(b)PSMS-1蒸发器的抗菌性能；(c)户外水蒸发实际图片；(d) 户外水蒸发示意图； (e)户 外环境温度、PSMS-1蒸发器表面温度变化； (f) 太阳光强度、水蒸发质量变化；(g)海水净化前后金属离子浓度变化。
I V 总结
创新使用MXene沉积物作为光热材料，定向冷冻的有序多孔结构不仅有利于水传输，而且可将光吸收到通道中，最大程度上增加光热转换的效率。三维结构的设计增加了空气/水界面的蒸汽扩散，侧面温度低于环境温度，可在环境中吸收更多的热量，增加侧面的暗蒸发。将自漂浮装置与冷凝收集装置结合在一起，解决了海水淡化的收集问题，通过冷凝收集的净化水符合WHO与EPA的标准，证明了PSMS蒸发器是一种可持续开发耐盐、高效的淡水资源回收装置发展的新途径。以MXene沉积物作为光热材料充分利用了MXene的原材料，未来也会扩大MXene沉积物在界面式太阳能海水淡化蒸发器领域的应用。
作者简介
张宪胜
本文通讯作者
青岛大学 副教授
▍ 主要研究 领域
特种防护和先进功能纺织材料、光热转换与个人热管理纺织材料、多频谱隐身纺织材料、高性能阻燃纺织材料等领域。
▍ 个人简介
青岛大学纺织服装学院副教授。主持国家自然科学基金、中国博士后特别资助/面上、山东省自然科学基金和青岛市自然科学基金等项目十余项，参与国家重点研发计划、山东省重点研发计划重大创新工程专项和山东省新旧动能转换重大产业攻关项目；以第一或通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.等顶级期刊发表高水平学术论文20余篇，其中入选高被引论文4篇；申请国家发明专利12项，授权6项；荣获山东省科技进步二等奖、中国纺织工业联合会纺织高等教育教学成果一/二等奖、中国化学纤维工业协会.恒逸基金”优秀学术论文一等奖和中国纺织工程学会陈维稷优秀论文奖(3项)等奖励。
▍ Email： xshzhang@qdu.edu.cn
王莉莉
本文通讯作者
青岛大学 教授
▍ 主要研究 领域
高分子多尺度结构与结晶调控研究，基于在 柔性、半结晶高分子聚集态结构方面的研究基础，创新将传统高分子基础理论和结构调控手段发展应用于海洋生物质刚性链和柔性链高分子凝胶，建立多尺度结构调控的新原理和新技术，突破全物理凝胶在柔性电子器件等新兴领域的应用。
▍ 个人简介
青岛大学国家重点实验室教授。2012年于中国科学院化学研究所硕博连读，2017年加入青岛大学生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室。以第一或通讯作者在 Nature Communications , Advanced Materials等期刊发表学术论文30篇，3篇入选ESI高被引论文。主持国家自然科学基金面上项目/青年基金、山东省优青、中国博士后科学基金特别资助等项目。荣获第二十四届中国专利金奖、中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖。以第一发明人申请中国发明专利10项，已授权6项。
▍ Email： llwang@qdu.edu.cn
吴小虎
本文通讯作者
山东高等技术研究院 研究员
▍ 主要研究 领域
辐射换热、太阳能光热利用、微纳光子学等领域
▍ 个人简介
本科毕业于中国矿业大学(北京)，博士毕业于北京大学，现为山东高等技术研究院研究员，山东省优青，山东省泰山学者青年专家，国际传热传质中心理事会成员，入选美国斯坦福大学发布的“全球前2%顶尖科学家(2023)”榜单。其博士论文被评为北京大学优秀博士论文，并被Springer出版社全英文出版。其双曲材料的工作入选美国光学学会2020年度全球30项光学进展“Optics in 2020”。曾获国际传热传质中心Hartnett-Irvine Award(2019)、福布斯中国30位30岁以下科技精英(2021)、山东省省直机关优秀共产党员(2023)、第28届中国青年五四奖章(2024)等多项荣誉。
▍ Email： xiaohu.wu@iat.cn
撰稿：原文作者
编辑： 《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
Web: https://springer.com/4082
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