隨著人類社會的快速發(fā)展和工業(yè)化進程的不斷推進，水污染和水資源短缺已成為世界各國普遍關注的問題。到目前為止，人們已開發(fā)出諸多從海水或廢水中生產(chǎn)清潔水的方法。然而，這些方法大多依賴于高耗能和整體集中的規(guī)?；O備和設施，限制了它們在偏遠地區(qū)和近海島嶼等區(qū)域的實際應用。近年來，基于太陽能的水蒸發(fā)裝置正被應用于海水淡化和廢水處理。在蒸發(fā)過程中，太陽能被界面蒸發(fā)層吸收并轉(zhuǎn)化為熱量，用于蒸發(fā)處理海水或廢水。與太陽能直接加熱海水或廢水的方法相比，界面太陽能加熱系統(tǒng)可以將熱量聚集在水蒸發(fā)層，以有效用于蒸發(fā)水。盡管基于太陽能的水蒸發(fā)技術在海水淡化與廢水凈化方面具有廣泛的應用前景，但如何高效利用太陽能以及提高太陽能蒸發(fā)水效率是關鍵。
近日，北京化工大學于中振教授與李曉鋒教授團隊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。作者選用二價鐵離子作為絮凝劑，具有優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換能力的過渡金屬碳化物(MXene)作為光熱轉(zhuǎn)化材料，采用二價鐵離子絮凝MXene納米片層，然后通過真空抽濾、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)的二維太陽能水蒸發(fā)MXene膜材料，其內(nèi)部密度較大，水分子須通過MXene片層間隙傳輸，易于導致供水量不足，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)的真空過濾方法制得的致密MXene太陽能水蒸發(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個和10個模擬太陽光強輻照下的蒸發(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基太陽能水蒸汽生成裝置。作為應用驗證，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的有機廢水，表現(xiàn)出高水蒸發(fā)效率和水純化效果。
