《Journal of Environmental Chemical Engineering》：High quality atmospheric water harvesting enabled by nanocomposite sorbent with macro-porous photothermal structure and hygroscopic salt loading
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大气水收集光热材料|MXene纳米片|LiCl高负载|三维多孔结构|抗菌水处理
向福|陈俊豪|杜杰豪|姜文龙|朱梦瑶|刘佩|刘欣|顾少进|尚斌
中国湖北省武汉市武汉纺织大学材料科学与工程学院新型纺织材料与先进加工国家重点实验室，邮编430200
摘要
通过太阳能驱动的加热方法从空气中捕获水分，并将其集中释放供人类使用，是解决全球淡水危机的有效途径。在本研究中，成功制备了一种具有吸湿性和光热多功能性的多孔材料（SA-MXene@LiCl），该材料由MXene纳米片、海藻酸钠（SA）和氯化锂（LiCl）组成，采用冷冻干燥法制备而成。一方面，这种三维互穿大孔结构（平均孔径约5微米，孔隙率约87%）与吸湿性强的LiCl（盐负载量约48%）的结合有助于降低材料内部的水分传输阻力，提高扩散速率，从而加快水分吸收速率和吸收能力（在25%相对湿度下的平衡水分吸附容量为1.62克/克，在50%相对湿度下为2.33克/克，在75%相对湿度下为3.49克/克）。另一方面，添加的光热MXene纳米片能够使吸收的水分在阳光照射下释放，并有效抑制大肠杆菌的生长（细菌存活率降低至4%），这是一种简单、环保且经济的高质量水生产策略。
引言
由于全球淡水资源的稀缺和不均匀分布，获取低能耗的饮用水已成为科学、能源和材料科学领域的研究热点。据报道，到2050年约有10亿人将面临严重的淡水短缺问题[1]。与传统的热蒸馏和反渗透技术[2][3][4]相比，这些技术严重依赖水资源和昂贵的基础设施，且仅适用于发达的沿海地区。作为一种替代策略，新型大气水收集技术可以直接在材料表面或内部吸附和储存水滴及水蒸气（约13,000万亿升，占全球淡水总量的10%），并通过主动或被动方式释放收集的水用于生产和生活[5][6][7]，这种技术简单、经济且环保，符合当前社会对节能和可持续发展的需求。
目前，已经开发出多种吸附剂，如沸石、硅胶、金属有机框架（MOFs）、吸湿性盐（LiCl、CaCl?）和聚合物凝胶等，用于从空气中捕获水分[8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18]。其中，吸湿性盐因其广泛的湿度范围内的高吸湿能力而受到广泛关注。例如，Wang等人[14]制备了一种基于氯化锂（LiCl）、氧化石墨烯（rGO）和海藻酸钠（SA）的纳米复合吸附剂（LiCl@rGO–SA），在15%和30%的相对湿度下分别表现出1.01克/克和1.52克/克的较高水收集能力。Yu等人[16]通过将氯化钙（CaCl?）封存在氧化石墨烯（GO）/聚(Nisopropylacrylamide)（PNIPAM）凝胶中，制备出超高吸湿性凝胶，在90%相对湿度下具有3.6克/克的吸湿能力。值得注意的是，将吸湿性盐封存在多孔基质中可以有效防止盐晶体聚集和液化后的泄漏。此外，许多研究都采用了太阳能驱动的方式释放吸收的水分，因为这种方法经济、环保且无需额外消耗化石资源。为了促进水分蒸发过程，人们使用了多种光热材料[19][20][21][22][23][24][25]，包括碳材料、聚合物和半导体等，以增强吸附剂的光热性能。
然而，在水分吸收过程中，一些细菌会不可避免地附着在吸附剂表面，导致水质污染，从而影响收集水的质量[26]。作为一种新型的二维过渡金属碳化物/氮化物，MXene不仅具有比传统光热材料（如炭黑、石墨烯、碳纳米管和金属颗粒）更优异的光吸收和超亲水性，还具有独特的抗菌性能，能有效抑制细菌繁殖。因此，MXene常被用于构建三维多孔结构[27][28][29][30]。尽管其制备过程复杂且原材料成本较高，但新技术的不断突破有望解决这一问题。本文提出了一种复合吸附剂（SA-MXene@LiCl），包含MXene纳米片、海藻酸钠和氯化锂。与早期基于SA或MXene的单一功能大气水收集材料相比，本研究通过简单的冷冻干燥方法和合理结构设计，成功制备出了一种具有高LiCl负载量（约48%）、三维互穿大孔结构（平均孔径约5微米，孔隙率约87%）以及光热和抗菌性能的框架材料。这种材料集成了水分收集和净化功能。用于大气水收集时，SA-MXene@LiCl有望表现出以下特点：(1) 高盐负载量可促进LiCl的水合，降低高浓度LiCl溶液所需的水分吸附能量，从而加快吸收速率；(2) 互穿大孔结构的形成可降低水分子的扩散阻力，提高吸附能力；(3) MXene的抗菌和光热性能使其能够通过光热方式快速释放吸收的水分并有效杀灭水中的细菌。基于这些特点，我们认为制备的SA-MXene@LiCl是高效高质量大气水收集器的理想候选材料。
材料
Ti?AlC?粉末（25克/400目）、盐酸（HCl，37%）和氯化钙二水合物（CaCl?·2H?O）由新华药业试剂有限公司提供。氟化锂（LiF，99%）、海藻酸钠（SA）、氯化锂（LiCl，≥99.0%）、氯化钠（NaCl）和氢氧化钠（NaOH）由上海阿拉丁生化科技有限公司提供。Tryptone和酵母提取物由Oxoid有限公司提供（地址：英国汉普郡Basingstoke Road, RG24 8PW）。琼脂和PBS由上海Ryon公司提供。
结果与讨论
通常，通过我们之前工作中报道的选择性蚀刻方法[31]，可以轻松将Ti?AlC?转化为薄MXene纳米片。随后，将制备好的MXene纳米片与海藻酸钠（SA）混合成均匀溶液，经过冷冻干燥后，可获得具有三维多孔网络的气凝胶。众所周知，SA是β-D-甘露糖酸（M-块）和α-L-古洛糖酸（G-块）的线性共聚物。
结论
本研究通过简单的冷冻干燥方法成功制备了一种具有高吸湿盐负载量（约48%）、三维互穿大孔结构（平均孔径约5微米，孔隙率约87%）、光热和抗菌性能的多功能材料（SA-MXene@LiCl）。在用于大气水收集时，大孔结构与吸湿性LiCl的结合显著降低了反应速率和水分传输阻力。
CRediT作者贡献声明
朱梦瑶：数据管理。
姜文龙：数据管理。
刘欣：项目管理。
刘佩：数据管理、资源获取、资金筹集。
尚斌：项目管理、撰写-审稿与编辑、资源获取。
顾少进：项目管理、撰写-审稿与编辑、资源获取。
陈俊豪：撰写-初稿、方法设计、研究、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52203098、52173062）和武汉市应用基础前沿项目（项目编号2022013988065197）的支持。此外，还得到了武汉市自然科学基金探索计划（项目编号2024040801020318）、湖北省新型纺织材料与应用研究重点实验室（项目编号FZXCL202413）以及2024EIA025湖北省地方科技发展指导计划的支持。
