人口增長(zhǎng)與淡水短缺之間的沖突，已成為二十一世紀(jì)最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一。據(jù)估計(jì)，到2025年，生活在缺水地區(qū)的人數(shù)可能增加到39億。因此，如何有效地開(kāi)發(fā)淡水資源成為一個(gè)重要的研究課題。太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生技術(shù)已成為海水淡化、廢水凈化等領(lǐng)域的一種極具前景的方法。然而，在蒸發(fā)器中同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的光吸收、熱管理和鹽分收集仍然具有挑戰(zhàn)性。

Nature Inspired MXene-Decorated 3D Honeycomb-Fabric Architectures Toward Efficient Water Desalination and Salt Harvesting

Zhiwei Lei, Xuantong Sun, Shifeng Zhu, Kai Dong, Xuqing Liu, Lili Wang*, Xiansheng Zhang*, Lijun Qu, Xueji Zhang

Nano-Micro Letters (2022)14: 10

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00748-7

本文亮點(diǎn)

1.?受自然界蜂窩結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，制備出一種由Ti?C?T? (MXene)修飾的3D蜂巢織物，并將其用于高效的海水淡化。

2.?蜂窩狀的織物結(jié)構(gòu)可以增加對(duì)光的捕獲，減少熱量因?qū)α骱洼椛錈岬膿p失。

3.?三維蜂窩狀織物蒸發(fā)器在1個(gè)太陽(yáng)光的照射下?lián)碛懈哌_(dá)93.5%的太陽(yáng)能利用效率和出色的鹽收集能力。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

青島大學(xué)曲麗君教授團(tuán)隊(duì)張憲勝副教授等提出了將毫米級(jí)蜂窩狀孔壁結(jié)構(gòu)的3D蜂巢織物與新型光熱轉(zhuǎn)換材料MXene結(jié)合設(shè)計(jì)高效的太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生裝置。蜂巢織物凹形蜂窩狀的陣列結(jié)構(gòu)、粗糙的纖維表面和高孔隙率，為入射光創(chuàng)造出最大程度的多重散射，實(shí)現(xiàn)了寬光譜太陽(yáng)光在蜂巢內(nèi)部的捕獲和吸收。將MXene改性蜂巢織物、隔熱聚苯乙烯泡沫和1D的棉棒導(dǎo)水通道進(jìn)行巧妙設(shè)計(jì)，既可以降低蒸發(fā)器的熱量損失，又可以在親水織物表面形成從中心向邊緣的鹽溶液濃度梯度，鹽僅在織物蒸發(fā)器邊緣結(jié)晶，而不會(huì)阻塞蒸發(fā)器表面?；诖?，該織物蒸發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的海水淡化和鹽收集，在1個(gè)太陽(yáng)光下的蒸發(fā)速率高達(dá)1.62 kg m?2 h?1?，并且即使在21%的鹽水中，鹽也只會(huì)在邊緣結(jié)晶。

圖文導(dǎo)讀

I?MXene及其改性蜂巢織物的制備及表征

利用親水性棉紗線作為經(jīng)紗和緯紗，通過(guò)特殊的經(jīng)緯交織法編織成具有周期性凹形蜂窩結(jié)構(gòu)排列的3D蜂巢織物。通過(guò)簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的浸漬自組裝方法制備了MXene/3D蜂巢織物。多層MXene納米片彼此緊密重疊，呈現(xiàn)出連續(xù)的褶皺，增加了纖維表面粗糙度。

圖1.?(a) 3D蜂巢織物的制造過(guò)程示意圖；(b, c) PDDA/MXene復(fù)合后的3D蜂巢織物及紗線示意圖；(d) MXene和纖維相互作用示意圖；(e) MXene/3D蜂巢織物的宏觀圖像(長(zhǎng)30厘米，寬度10厘米及柔韌性展示圖)；(f) MXene的TEM圖像和丁達(dá)爾效應(yīng)；(g, h) MXene的HRTEM圖和AFM圖像；(i) 原始3D蜂巢織物和MXene/3D蜂巢織物的SEM圖；(j) MXene/3D蜂巢織物的C、O、Ti和F的EDS元素映射圖；(k) MXene、MXene/3D蜂巢織物、原始3D蜂巢織物的XRD圖譜。

II?MXene/3D蜂巢織物的親水性、吸光性、光熱轉(zhuǎn)換和熱導(dǎo)率

研究發(fā)現(xiàn)，MXene/3D蜂巢織物具有優(yōu)異的親水性和光吸收能力，其在280 nm-2500 nm吸光率接近96%、MXene的消光系數(shù)為27.3 L g?1?cm?1?。MXene/3D蜂巢織物在一個(gè)太陽(yáng)光照射下表面溫度高達(dá)86℃，遠(yuǎn)高于MXene/平紋織物的72℃，同時(shí)蜂巢織物對(duì)光照方向的依賴(lài)性低。蜂巢織物在干、濕態(tài)具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，有利于減少熱量的損失。

圖2.?(a) MXene/3D蜂巢織物親水性展示；(b) MXene/3D蜂巢織物和MXene/平紋織物的吸收光譜；(c) 太陽(yáng)光在不同織物上反射過(guò)程示意圖，2D平紋織物對(duì)太陽(yáng)光單次反射，3D蜂巢織物對(duì)太陽(yáng)光多次反射；(d) 不同質(zhì)量濃度MXene溶液的吸收光譜，插圖：朗伯比爾定律(Lambert-Beer law)在808 nm處的吸光度圖；(e) MXene/3D蜂巢織物和MXene/平紋織物在不同入射角(0°，30°，50°和70°)下的IR圖像(左側(cè)插圖為入射角示意圖)；(f) 一個(gè)太陽(yáng)光照射下MXene/平紋織物和MXene/3D蜂巢織物的表面溫度變化曲線(插圖為MXene的光熱轉(zhuǎn)換示意圖)；(g, h) 干態(tài)和濕態(tài)MXene/3D蜂巢織物的熱導(dǎo)率(插圖為測(cè)試過(guò)程的IR圖像)。

III?MXene/3D蜂巢織物蒸發(fā)器的熱定位和太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生性能

由頂部蜂巢織物、底部聚苯乙烯泡沫和1D導(dǎo)水通道組成的蒸發(fā)器具有很好的局部熱定位特性，熱量主要集中在織物表面，并沒(méi)有散失到水中，從而實(shí)現(xiàn)熱量損失最小化，蒸發(fā)器表現(xiàn)出優(yōu)異的熱管理性能。在一個(gè)太陽(yáng)光照射下，蒸發(fā)器顯示了高達(dá)93.5%的蒸發(fā)效率和1.62 kg?m?2?h?1的蒸發(fā)速率，蒸發(fā)效率優(yōu)于大部分織物基和MXene基蒸發(fā)器。

圖3.?(a) 太陽(yáng)能蒸汽產(chǎn)生性能測(cè)試系統(tǒng)示意圖；(b) 不同光照強(qiáng)度下，蜂巢織物表面溫度隨輻照時(shí)間的變化(插圖：蜂巢織物表面的紅外圖像)；(c)?在1 kW m?2太陽(yáng)光照下，蒸發(fā)器的縱向溫度分布(左圖)，在3 kW m?2的太陽(yáng)光下產(chǎn)生的水蒸汽的圖像(右圖)；(d) 在1太陽(yáng)光照下，水、原始平紋織物、原始蜂巢織物、MXene/平紋織物和MXene/3D蜂巢織物的水蒸發(fā)質(zhì)量變化；(e) 在1太陽(yáng)光照下，水、原始平紋織物、原始蜂巢織物、MXene/平紋織物和MXene/3D蜂巢織物的水蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率；(f) MXene/3D蜂巢織物與以前的報(bào)道的MXene基和織物基蒸發(fā)器蒸發(fā)效率比較；(g) MXene/3D蜂巢織物在不同太陽(yáng)光照射下蒸發(fā)質(zhì)量隨時(shí)間的變化；(h) MXene/3D蜂巢織物在不同太陽(yáng)強(qiáng)度下的蒸發(fā)速率；(i) 在不同太陽(yáng)光強(qiáng)下，測(cè)得MXene/3D蜂巢織物的蒸發(fā)循環(huán)性能。

IV?MXene/3D蜂巢織物蒸發(fā)器水凈化性能、鹽阻性能、戶外蒸發(fā)測(cè)試

MXene/3D蜂巢織物蒸發(fā)器收集到的淡水濃度比海水低3到4個(gè)數(shù)量級(jí)，鹽溶液濃度遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織對(duì)飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。此外，MXene/3D蜂巢織物蒸發(fā)器具有優(yōu)異的抗鹽能力，蒸發(fā)器在3.5%的海水中連續(xù)照射35小時(shí)(1個(gè)太陽(yáng)光)，蒸發(fā)速率保持穩(wěn)定(圖4c)，蒸發(fā)器表面非常清潔，僅有很少量鹽在織物邊緣結(jié)晶。當(dāng)海水溶液濃度高達(dá)15%時(shí)(1和3太陽(yáng)光)，1D水通道輸送的鹽溶液從親水性織物中心向邊緣擴(kuò)散，隨著水分的蒸發(fā)，邊緣鹽溶液濃度越來(lái)越大，當(dāng)溶液鹽濃度高于其飽和濃度時(shí)，鹽顆粒在織物邊緣結(jié)晶析出，可以實(shí)現(xiàn)鹽的有效收集。另外室外實(shí)驗(yàn)表明：蒸發(fā)器在室外一天(8:00-17:00)產(chǎn)生的水量高達(dá)6.9 kg m?2，足以滿足三個(gè)人的日常飲水需求。

圖4.?(a) 脫鹽前后真實(shí)海水(中國(guó)黃海)中四種主要鹽離子的濃度；(b) 蒸發(fā)前亞甲基藍(lán)(MB)、甲基橙(MO)溶液和蒸發(fā)后相應(yīng)的冷凝水的紫外可見(jiàn)吸收光譜；(c) 蒸發(fā)器連續(xù)蒸發(fā)35個(gè)小時(shí)前后對(duì)比圖；(d) 蒸發(fā)器鹽積累圖片；(e) 太陽(yáng)能蒸發(fā)器水蒸發(fā)、水運(yùn)輸和鹽積累示意圖，(f) 蒸發(fā)過(guò)程織物表面溫度圖像；(g) 在鹽濃度15%下，1 sun和3 sun下鹽分積累變化圖；(h) 從上午8:00到下午17:00(2020年11月12日，中國(guó)青島)，太陽(yáng)光強(qiáng)度、蜂巢織物表面溫度、環(huán)境溫度以及蒸發(fā)水質(zhì)量隨時(shí)間的變化。

作者簡(jiǎn)介

雷志偉

本文第一作者

青島大學(xué) 碩士研究生

▍主要研究領(lǐng)域

MXene改性紡織基光熱轉(zhuǎn)換材料制備及海水淡化蒸發(fā)器設(shè)計(jì)。

張憲勝

本文通訊作者

青島大學(xué) 副教授

▍主要研究領(lǐng)域

石墨烯、MXene等納米材料的合成，及其在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用。

▍主要研究成果

近年來(lái)主要從事石墨烯、MXene等二維材料在電磁屏蔽、吸波、光熱轉(zhuǎn)換等先進(jìn)功能紡織材料方面的研究。獲山東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)一項(xiàng)、中國(guó)紡織工程學(xué)會(huì)陳維稷優(yōu)秀論文獎(jiǎng)兩項(xiàng)、“中國(guó)化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì).恒逸基金”優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文一等獎(jiǎng)一項(xiàng)，現(xiàn)已在Adv. Mater., Chem. Eng. J., J. Hazard. Mater.等國(guó)際知名期刊發(fā)表20余篇，主持國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目8項(xiàng)。

▍Email:?xshzhang@qdu.edu.cn

撰稿：原文作者

編輯：《納微快報(bào)(英文)》編輯部

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