《Separation and Purification Technology》：Hierarchical LDH@Ti
3C
2-based bifunctional evaporator for solar-driven water-electricity cogeneration
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该研究开发了一种LDH@Ti3C2复合材料，通过多步合成工艺结合电static组装，实现了高效光热转换（86.3%）与磁响应回收。集成空气 laid 纸基后，蒸发速率达2.09 kg m?2 h?1，并同步产生33.7 mW m?2的电力输出，成功应用于海水淡化、污染物去除及小型电子设备供电。
作者名单：鞠扬涛、刘一哲、徐中心、魏玉军、任林、史星宇、易E、王志毅、吴建宁、王先宝、于淑东
中山大学先进制造学院，中国深圳518107
摘要
淡水资源短缺和能源不足对可持续发展构成了严峻挑战，这凸显了寻求综合性解决方案的迫切性。本文报道了一种分层双氢氧化物LDH@Ti?C?复合材料的制备，该材料可用于水蒸发和热电发电。该复合材料通过多步骤工艺制备：首先利用ZIF-67衍生的氮掺杂碳进行原位蚀刻，形成CoMo LDH；随后通过静电作用将CoMo LDH与剥离的Ti?C?纳米片组装在一起。所得LDH@Ti?C?复合材料具有宽光谱吸收特性（96.13%）、优异的光热性能以及可逆的磁性，便于材料回收。当将其集成到空气铺展的纸基基底上时，在1太阳光照射下，该蒸发器的蒸发速率为2.09 kg m?2 h?1，太阳能到蒸汽的转化效率为86.3%，并且具有优异的循环稳定性。当与热电模块结合使用时，该复合材料能够同时回收废热，输出功率密度达到33.7 ± 2.2 mW m?2，并在多次循环中保持稳定性能。户外测试进一步证明了其在海水淡化、染料污染物去除以及为小型电子设备供电方面的有效性。本文提出的策略有效促进了可持续多功能系统的实际应用，实现了太阳能水净化和电力生成的同步实现。
引言
全球面临的主要问题之一是淡水资源的匮乏和能源供应不足[1][2][3]，因此开发可持续和综合性的解决方案至关重要[4][5][6]。太阳能界面蒸发（SIE）技术因能够同时产生清洁水和电力而受到广泛关注[7][8][9]。通过高效利用可再生能源，该技术实现了蒸发和发电的同步进行，从而提高了资源利用率，为缓解淡水短缺和能源危机提供了可行的途径[10][11][12][13][14]。
在SIE系统中，大量入射阳光和热量未被充分利用，为多功能应用提供了机会[15]。其中，利用废热发电是双功能蒸发器的一个典型示例[16][17][18]。在这些集成系统中，整体效率很大程度上取决于光热转换层的性能。迄今为止，已经开发了多种基于碳、贵金属、半导体和聚合物的光热材料，以在水中建立明显的温度梯度[19][20][21]。作为典型的二维材料，MXene因其优异的光热性能而受到关注[22][23]。特别是Ti?C?材料，因其金属导电性和显著的光热转换效率而脱颖而出[24]。然而，单一组分的Ti?C?材料常因层间范德华相互作用和氢键作用而发生堆叠，这会减少可用表面积，阻碍光吸收并降低热能局部化效率[25][26]。最新研究表明，引入三维框架或界面支架可以有效抑制Ti?C?的聚集，保护活性表面位点，并促进高效的光热转换[27]。层状双氢氧化物（LDH）具有二维层状结构，为构建分层光热架构提供了理想的平台[28]。当与Ti?C?纳米片结合时，LDH不仅可以作为物理间隔层抑制Ti?C?的堆叠，还能通过强静电作用促进界面电荷重新分布和光热能的局部化。尽管具有这些优势，LDH/MXene复合材料在SIE和发电中的协同作用仍需进一步研究。
此外，迄今为止报道的各种蒸发器基底中，基于纺织品/纸张的材料属于重要类别[29][30][31]。由于其多尺度纤维特性，这些材料具有优异的光吸收性能、高孔隙率和较大的比表面积。这些综合特性有效扩大了蒸发活性区域，并为蒸汽释放提供了丰富的通道[32][33][34][35]。与其他基底（如水凝胶和气凝胶）相比，纺织品具有成熟的加工技术，可以实现灵活的结构设计和可扩展的制造[36][37][38]。此外，多种纤维类型的可用性使得基于纺织品的基底能够适应不同的环境条件，并在界面蒸发系统中实现多功能应用[39][40][41]。
本文介绍了LDH@Ti?C?复合材料的制备过程，如图1所示。首先合成ZIF-67衍生的氮掺杂碳，然后进行原位蚀刻形成包裹CoMo LDH的碳框架（称为C-CoMo LDH），随后将其与带负电的Ti?C?纳米片通过静电作用组装成LDH@Ti?C?粉末。该复合材料具有宽光谱吸收（96.13%）、高效的光热转换性能以及明显的磁响应性，便于材料回收。当集成到空气铺展的纸基基底上时，在1 kW m?2的照射下，蒸发速率为2.09 kg m?2 h?1，太阳能到蒸汽的转化效率为86.3%。更重要的是，在4 × 4 cm2的蒸发发电系统中，通过热电模块同时回收废热，实现了33.7 ± 2.2 mW m?2的最大功率密度。户外实验进一步证明了其在海水淡化、染料污染物去除和为小型电子设备供电方面的有效性。本研究展示了太阳能驱动的水和电力协同生产的新方法，为缓解淡水短缺和能源短缺提供了可持续的解决方案。
LDH@Ti?C?的制备与性能表征
如图2a所示，LDH@Ti?C?是通过多步骤工艺制备的。为了揭示微观结构细节，对所得材料进行了扫描电子显微镜（SEM）表征。根据热重分析（图S1），ZIF-67在550°C下碳化，得到含有Co金属的氮掺杂碳材料（称为C-ZIF-67），其具有与先前报道一致的皱褶、向内凹陷的十二面体形态（图2b）[42]。
结论
总结来说，我们开发了一种分层LDH@Ti?C?复合材料，作为一种多功能光热材料，用于水净化和电力生成。该复合材料结合了碳材料的宽光谱吸收特性和Co、Ti?C?的协同LSPR效应，表现出优异的光热性能，同时其磁性特性便于材料回收。当集成到空气铺展的纸基基底上时，LDH@Ti?C?蒸发器在单太阳光照射下实现了高效的蒸发效果。
材料
Co(NO?)?·6H?O、2-甲基咪唑、氟化锂和Na?MoO?·2H?O购自中国Macklin和Aladdin公司；Ti?AlC?购自Xinxi Technology公司；空气铺展纸和热电模块购自在线商店。
表征
使用SEM（JSM7100F，日本）揭示了空气铺展纸的微观结构。XRD（Bruker D8 phaser）和HR-TEM EI Tecnai G2 F30用于分析样品的成分、结构和晶格参数信息。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢以下机构的财政支持：广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515010854、2023A1515111194）、国家自然科学基金（编号52406237、52405329、52475376）、国家重点研发计划（2024YFB3213600）、湖北省科学技术厅（编号2024BAB096）、深圳市科技计划（szbo202317）以及中山大学“****”。
