南开大学梁嘉杰:​93.39%!超高效率且稳定的MXene基光热海水淡化材料

虽然海水很多,但是淡水很少,这是人类一直以来面临的一个重大环境问题。因而人们一直在寻找高效的海水淡化方法。大规模、持久的海水淡化首先需要源源不断的能量,因而太阳能便成为了我们首要的考虑对象。在目前的太阳能能量转换手段中,光热转换因其高能量转换效率和易用性而在海水淡化和废水净化领域受到了广泛的关注。

通过光热效应将水气化而实现海水淡化的材料的能量转化效率可表示为通过材料而气化的水所吸收的热量与照射到材料表面的太阳能量之比。要想提高上述比值,就需要材料具有如下六个特征:1)材料在太阳光全波段都有良好吸收;2)材料的光热转换效率高;3)材料的导热系数低,以降低能量的耗散;4)材料具有多孔性和易浸润性以实现高效的水运输;5)材料的机械和化学稳定性高;6)材料可以阻止盐沉积。

作为一类新兴的2D纳米材料,MXene的内光热转换效率可以达到100%,且在较宽波段内都有良好吸收。此外,它表面的大量亲水基团使其可以被用于构建能快速转运水的亲水通道。因而MXene有望成为碳基材料和等离子体纳米颗粒这两种传统光热转换材料的良好替代品。然而MXene的高导热系数、宽波段光反射和易氧化的特性仍然是其在光热海水淡化材料领域应用的重大挑战。

近日,南开大学梁嘉杰教授课题组成功开发出以MXene为骨架,负载以钴纳米颗粒和碳纳米片层级结构的光热转换泡沫。这种多层级、多材料的结构使得上述泡沫能够有效抑制光反射、提宽波段的高光热转换效率、降低导热率、提高水转运速率并抑制盐的沉积。因此,这一泡沫的实际光热转换效率达到了93.39%。此外,连续10天、每天10 h的耐久性测试也说明了该材料的长期使用稳定性和盐抗性。上述成果以“A MXene-Based Hierarchical Design Enabling Highly Efficient and Stable Solar-Water Desalination with Good Salt Resistance”为题发表于Advanced Functional Materials

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1. Co-CNS/M制备方法及海水淡化原理

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图 1 Co-CNS/M光热转换泡沫的制备流程

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图 2 Co-CNS/M泡沫高效光热转换和海水淡化的原理

为得到亲水的MXene骨架,选用Ti3AlC MAX进行刻蚀剥离和溶液化。MXene溶液通过冻干法制备具有取向性,高度亲水的MXene泡沫。Co-MOF通过原位生长法生长在通道壁上,然后经过热解生成表面密布钴的碳纳米片(图1)。其中,钴纳米颗粒提供等离子体局域加热效应以增强光热转换总效率;碳纳米片起到保护MXene、减小光反射、减小导热率的作用;MXene则作为主要的光热转换材料和亲水通道骨架(图2)。

2. C-CNS/M泡沫的层级结构表征

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图 3 Co-CNS/M泡沫形貌及成分分析

通过SEM,研究人员确认了层级结构的存在,并且层级结构在材料内分布均匀且完整(图3a-c)。负载有Co的碳纳米片均匀生长在MXene薄壁上。进一步对碳纳米片的TEM和EDS分析表明在碳纳米片和整个材料尺度上Co的分布也非常均匀(图3d-i)。

3. Co-CNS/M泡沫光吸收、光热转换性能和亲水性表征

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图 4 Co-CNS/M泡沫的光热转换性能和亲水性

生长在MXene上的无定形碳纳米片能有效降低材料的导热系数。相比于纯MXene泡沫,Co-CNS/M的导热系数在干燥和浸水状态下分别从0.345和0.790 W·m-1·K-1降低至0.242和0.591 W·m-1·K-1

相比于MXene泡沫,Co-CNS/M泡沫的光吸收率在200-2000 nm波段要高,同时光反射率也更低,因而具有更好的光吸收性(图4a、b)。通过探测泡沫表面温度及其和环境温度的差值,可以表征其光热转换效率。可以看出,当光垂直入射时,Co-CNS/M和MXene泡沫的温度都会迅速上升,然而当光以一定角度入射时,MXene泡沫的转换效率迅速下降,而Co-CNS/M变化较小(图4c、d)。

此外,MXene的亲水性和其取向管道结构使得泡沫材料表面的水滴在30 ms内就迅速被吸收(图4e)。

4. 实验室环境中泡沫光-蒸气转化测试

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图 5 Co-CNS/M泡沫海水淡化测试

在经过设计以达到最佳隔热效果,使热量能够被尽可能多地用于光热转换的设备上,研究人员测试了Co-CNS/M淡化海水的效率(图5i)。在1 kW·m-2的模拟阳光功率下,Co-CNS/M的水蒸发速率达到了1.393 kg·m-1·h-1,其光-蒸气转换效率最高达到了93.39%,平均为93.06%(图5c)。

Co-CNS/M泡沫的耐久性通过循环使用实验来表征。在连续使用10 h后,Co-CNS/M泡沫被取出并干燥,然后再安回原位继续测试。在经过10轮循环后,其水蒸发速率仍然保持在1.38 kg·m-1·h-1(图5f)。此外,在人工海水环境(3.5 wt% NaCl)中的连续工作测试后,材料表面并没有出现任何盐结晶,表明了材料优异的拒盐性能。

5. Co-CNS/M对真实海水的淡化能力

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图 6 真实环境下材料的海水淡化能力测试

最后,为了表明Co-CNS/M泡沫在真实环境中的海水淡化能力,研究人员分别在实验室环境(可控人造光源)和自然光源下,用天然海水对材料进行了测试。经淡化后,海水中Na+、Mg2+、K+和Ca2+离子的浓度均远低于WHO或EPA的要求(图6a),在自然光下测试了12 h后,单位面积的材料能收集到5.32 kg的淡水(图6c)。

总结

通过独特的层级结构将钴、碳纳米片和MXene的性能有机地结合起来,使得MXene基海水淡化材料的效率大幅提升。MXene原本的光反射率高、高导热率和不稳定的缺点均得到了明显的改善,从而使得Co-CNS/M泡沫的光-蒸气转化效率最高达到了93.39%。上述策略让MXene材料在光热转化材料领域的应用又迈出了坚实的一步。

全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007110

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