MXene表面修饰与垂直排列气凝胶结构的协同设计，以实现高效太阳能蒸汽生成

《Solar Energy Materials and Solar Cells》：Synergistic engineering of MXene surface terminations and vertically aligned aerogel architectures for highly efficient solar steam generation

提出无氟卤素熔盐腐蚀法调控MXene表面卤素功能团，结合定向冷冻干燥构建垂直多孔气凝胶复合结构，显著提升光热转换效率至96.17%，实现1.67 MJ/kg?1超低蒸发焓及2.18 kg/m2·h?1高蒸发速率，兼具优异机械稳定性和水下疏油性。

　　

姜晓鹏|徐瑞琦|魏娜|杨泽宇|崔盼盼|宋晓杰|崔洪志

山东科技大学材料科学与工程学院，中国青岛市，266590

摘要

太阳能驱动的界面蒸发是一种有前景的可持续淡水生产技术。然而，设计出既具有结构耐久性又具有高蒸发效率的多功能蒸发器仍然具有挑战性。本文提出了一种通过无氟路易斯熔盐蚀刻的表面修饰策略，以合成具有可调卤素功能（Cl/Br）的MXene。为了克服传统3D多孔网络在海水淡化中的局限性，采用定向冷冻干燥技术制备了具有层次化微通道的垂直排列MXene壳聚糖气凝胶。与Cl-终止的复合气凝胶相比，Br-终止的MXene气凝胶表现出更强的宽带阳光捕获能力（96.17%）。垂直通道与亲水孔隙之间的协同作用使得水/蒸汽传输更加迅速，在一太阳光照下实现了2.18 kg m^?2 h^?1的卓越蒸发速率，并且蒸发焓极低（1.67 MJ kg^?1）。此外，该气凝胶还表现出显著的耐久性、水下疏油性和机械韧性。本研究展示了一种环保的制造策略，可用于制造具有工业潜力的耐用太阳能蒸发器。

引言

由于环境污染和生态退化，淡水资源极为稀缺，导致许多地区面临水资源短缺[1,2]。海水淡化被认为是缓解水资源短缺的一个可行方案[3,4]。特别是，最近开发的太阳能驱动的界面蒸发淡化（SIED）技术因其同时能够缓解水资源短缺和提高太阳能利用效率而受到了广泛关注[[5], [6], [7], [8]]。在SIED系统中，光热蒸发器是核心功能组件。为了优化光热蒸发器的能量效率，需要系统地考虑关键因素，如选择具有宽带太阳吸收的光热转换材料、合理的设计以实现高效的水传输，以及先进的热管理策略[9,10]。这些要求需要开发出同时具备优异的光热响应性、环境可持续性和成本效益的材料[11,12]。此外，对这些材料进行精细的结构工程设计对于最大化淡化过程中的太阳能利用至关重要[13]。具体来说，如高效的内部水通道、仿生结构以及水-电联产的集成可以显著提高蒸发速率和其他特定性能指标[14]。

MXene是一种新兴的二维（2D）过渡金属碳化物/氮化物，具有出色的光热转换效率和丰富的表面官能团[15,16]。这种材料在近红外光谱（NIR）中表现出明显的等离子体共振特性，使其成为海水淡化和废水处理的有希望的候选材料[17]。然而，传统的MXene合成方法通常使用有害的氢氟酸（HF）蚀刻来生产含氟衍生物，这引发了关于环境污染和高生产成本的担忧[18]。相比之下，路易斯酸性熔盐合成方法可以通过高温蚀刻制备无氟MXene，从而有效消除了使用HF的安全风险[19,20]。重要的是，MXene的表面终止基团主要由蚀刻环境决定，通过选择不同的蚀刻剂可以精确调控卤素组成，从而调节材料性能[21,22]。考虑到材料稳定性和实验可行性，本研究选择了含有Cl^?和Br^?的两种不同熔盐环境。值得注意的是，MXene的光热转换效率可以通过表面卤素终止的电子负性和轨道配置来调节，这些因素会影响材料的光吸收能力[23]。不同的卤素表面官能团涉及不同的电子耦合机制，从而控制光子到热能的转换行为[24,25]。

气凝胶是一种三维（3D）多孔固体，具有超低密度，为MXene提供了大量的比表面积，增强了界面粘附位点[26]。同时，这种材料保持了足够的机械强度，确保在施加机械应力下的结构完整性和操作耐久性[[27], [28], [29]]。气凝胶中固有的垂直排列通道结构不仅保留了传统气凝胶的优点，还在其纵向空隙中诱导了多重反射光散射现象，从而优化了太阳能的利用[[30], [31], [32]]。使用天然多糖生物聚合物壳聚糖作为基质材料，不仅确保了可持续的制造过程，还提供了环境兼容性、结构增强和多功能适应性的协同优势[33,34]。

在此，我们开发了一种合理的合成策略来制备基于MXene的气凝胶复合材料。通过控制熔盐蚀刻在不同反应时间内合成具有不同表面终止的MXene，然后通过定向冷冻干燥制备垂直排列的MXene气凝胶。进行了系统的研究，以评估气凝胶的亲水性、光热转换效率、热传输性能和太阳能驱动的蒸发性能。此外，还阐明了蒸发焓和水相状态变化对蒸发性能的影响。在一太阳光照下，Ti₃C₂Br₂@CS气凝胶的蒸发速率为2.18 kg m^?2 h^?1，蒸发焓降低到1.67 MJ kg^?1，显著减少了海水蒸发所需的能量。此外，该蒸发器表现出良好的循环稳定性和对不同盐度的适应性。这种多功能气凝胶同时具有优异的水下疏油性和有效的离子污染物去除能力，展示了其在废水处理、油水分离和海水淡化方面的巨大潜力。

材料

碳化钛铝（Ti₃AlC₂，325目，99.0%）购自上海布伟应用材料技术有限公司。乙酸（CH₃COOH）购自烟台远东精细化工有限公司。氨购自成都凯龙化工有限公司。壳聚糖（(C₆H₁₁NO₄)_n）、氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）、无水氯化铜（CuCl₂）、溴化钠（NaBr）、溴化钾（KBr）、无水溴化铜（CuBr₂）、氯化铵（NH₄Cl）和甲醇

Ti₃C₂Cl₂@CS的制备与表征

不同保温时间的Ti₃C₂Cl₂的XRD图谱分别显示在图S1a和S1b中。与原始Ti₃AlC₂相比，蚀刻产物中的大多数非基面峰消失了，表明Al层已被去除[21]。值得注意的是，Ti₃C₂Cl₂ MXene（在700°C下保温7小时）的(002)衍射峰从2θ = 9.52°移至更低的2θ = 7.88°，表明沿c轴的层间距发生了膨胀。基于布拉格方程的计算显示

结论

总之，通过采用先进的合成策略，我们成功制备了两种具有不同表面官能团（Br和Cl）的MXene，并将其与壳聚糖气凝胶结合，制备了Ti₃C₂Br₂@CS和Ti₃C₂Cl₂@CS两种界面光热蒸发器。这些气凝胶表现出高的光热转换效率和光响应能力，适用于多种海水淡化过程。特别是Ti₃C₂Br₂@CS

CRediT作者贡献声明

姜晓鹏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，资源，方法论。徐瑞琦：验证，监督，方法论。魏娜：资金获取，正式分析，概念构思。杨泽宇：撰写 – 原稿，资源，方法论。崔盼盼：软件，研究。宋晓杰：监督，资金获取，概念构思。崔洪志：资金获取，正式分析，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52331004, U2106216）、山东省自然科学基金（编号：ZR2022ZD12）、山东省重点研发计划（编号：2023ZLGX05, 2023CXGC010406）、山东省自然科学基金重点计划（编号：ZR2022ZD12, ZR2024ZD14）、泰山攀登计划奖学金（编号：tspd20230603）、中国博士后科学基金（编号：2023M732677）和山东省的支持