一种坚固的Ti3C2Tx/海藻酸盐水凝胶，通过添加小麦秸秆纤维素微纤维（CMFs）进行增强，适用于高耐久性的太阳能驱动水蒸发和海水淡化过程

《Sustainable Materials and Technologies》：A robust Ti 3C 2T x/alginate hydrogel reinforced with wheat straw cellulose microfibers (CMFs) for highly durable solar-driven water evaporation and desalination

高效太阳能驱动水蒸发与海水淡化：Ti3C2Tx MXene/海藻酸钠/纤维素微纤复合水凝胶的制备与性能优化。采用单层/双层冷冻铸造策略，利用小麦秸秆制备纤维素微纤增强水凝胶，在1 kW/m2光照下蒸发率达1.66 kg/m2·h，5% NaCl溶液中盐阻隔效率达97%，10天运行衰减仅3.13%，为可持续海水淡化提供新方案。

　　

穆罕默德·穆尼布·艾哈迈德（Muhammad Muneeb Ahmad）| 阿里娜·法蒂玛（Areena Fatima）| 马云云（Yunyun Ma）| 穆恩扎尔·巴德沙（Munzar Badshah）| 马晓琴（Xiaoqin Ma）| 曲兆伟（Zhaowei Qu）| 黄露露（Lulu Huang）| 张琳（Lin Zhang）| 瓦迪维尔·萨拉瓦南（Vadivel Saravanan）| 星全胜（Quansheng Xing）| 王朝阳（Zhaoyan Wang）| 普乔生（Qiaosheng Pu）

中国甘肃省应用有机化学国家重点实验室、有色金属化学与资源利用重点实验室，兰州大学化学与化学工程学院，兰州730000

摘要

太阳能驱动的界面水蒸发提供了一种变革性和可持续的方法，通过局部光热转换来缓解全球淡水危机。纤维素微纤维（CMFs）来源于丰富的农业废弃物，如小麦秸秆，作为一种可再生且有价值的增强材料，用于Ti₃C₂T_x/海藻酸盐/CMFs水凝胶中，增强了其多孔结构和水分传输性能，从而实现高效的太阳能驱动的水蒸发和海水淡化。通过独特的一层和两层冷冻铸造策略优化的具有高度亲水性的Ti₃C₂T_x/海藻酸盐/CMFs水凝胶，具有相互连接的小麦秸秆纤维网络，能够实现超快的水分传输、宽频段的光吸收以及高的光热转换效率，用于水蒸发。在单太阳光照（1 kW m^-2）条件下，优化后的水凝胶蒸发器（MACMF-8）达到了1.66 kg m^-2 h^-1的蒸发速率和85.41%的蒸发效率。该水凝胶表现出优异的盐分排斥能力，在5 wt% NaCl溶液中仍能保持1.57 kg m^-2 h^-1的蒸发速率，并且在10天的淡化过程中盐分损失仅减少了3.13%。使用简单的装置在单太阳光照下照射12小时后，分别从5 wt% NaCl溶液、模拟海水和结晶紫染料溶液中获得了18.48 kg m^-2、19.33 kg m^-2和19.81 kg m^-2的纯净水。结合可扩展性、耐用性和太阳能驱动的操作方式，Ti₃C₂T_x/海藻酸盐/CMFs水凝胶成为一种非常有前景的可持续水净化和海水淡化平台。

引言

淡水短缺和能源需求的增加代表了两个相互关联的全球性挑战，直接影响公共卫生、粮食安全和可持续发展[1]、[2]。传统的净水和海水淡化技术（如热蒸馏、反渗透和基于膜的分离）虽然有效，但通常需要较高的能量输入、复杂的基础设施或大量的维护，这限制了在资源受限环境中的应用[3]、[4]。在这种背景下，太阳能驱动的界面水蒸发作为一种有前景的低碳策略应运而生，它将热量集中在空气-水界面，以最大化蒸发效果，同时将热量损失降到最低，从而在阳光下实现高效的海水淡化[5]、[6]、[7]、[8]。

界面蒸发性能的一个关键决定因素是光热层，它必须具备宽频段的光吸收、高效的光到热转换能力以及在水环境中的长期稳定性。在新兴的光热材料中，Ti₃C₂T_x MXene因其金属导电性、强光吸收性、丰富的表面官能团（O, -OH, F）以及易于加工成膜和多孔结构而受到越来越多的关注[9]。这些特性使Ti₃C₂T_x成为下一代太阳能蒸发器的有力候选材料[10]、[11]、[12]，其中快速的光热加热和有效的界面热量集中对于高蒸发速率至关重要[13]、[14]。此外，Ti₃C₂T_x的亲水表面化学性质支持水分持续传输到蒸发界面，这对于稳定运行至关重要[15]。

尽管取得了快速进展，盐分积累仍然是太阳能驱动海水淡化系统的主要瓶颈。在盐水蒸发过程中，蒸发界面附近的离子富集可能导致局部过饱和和结晶，这会阻塞水分通道，降低蒸发速率，并在长时间运行中影响耐用性。特别是在长时间光照和高盐度条件下，盐分污染会逐渐恶化性能。Khorsand等人[16]报道了一种PIL/MXene膜蒸发器，在1000 W m^-2的单太阳光照下，3.5 wt% NaCl溶液的蒸发速率为0.7 kg m^-2 h^{-1》。Lu等人[17]开发了一种由MXene沉积物和甘蔗渣衍生纤维素（WM/BCA-3）组成的气凝胶蒸发器，在单太阳光照下，3.5 wt% NaCl溶液的蒸发速率为1.38 kg m-2 h-1》。Mu等人[18]制备了一种使用MXene和Ag₃PO₄改性的PVDF（PCC-MXene/Ag₃PO₄）的复合膜蒸发器，在相同的太阳条件下，5 wt% NaCl溶液的蒸发速率为1.4736 kg m-2 h-1》。Mu等人[19]还制造了一种MXene/PDA@MF-EF太阳能发电机，在单太阳光照下，5 wt% NaCl溶液的蒸发速率略高，为1.4994 kg m-2 h-1》。Cao等人[20]设计了一种MXene/PVA/非织造纤维（MPF）膜蒸发器，其中表现最好的MPF-12在单太阳光照下，第1周期和第15周期的蒸发速率分别为1.50 kg m-2 h-1和1.48 kg m-2 h-1》。此外，双层冷冻铸造策略也被引入到结构设计中。这种结构分离促进了有效的热量集中，减少了热量向水体中的损失，并提高了蒸发效率，相比传统的单层水凝胶[21]、[22]、[23]。为了减轻盐分结晶，已经探索了几种方法，包括表面工程、Janus结构以及促进离子从界面返回到溶液中的孔道/通道设计[24]、[25]、[26]。水凝胶特别具有吸引力，因为它们富含水分的网络可以提供连续的毛细驱动供应，并实现将光热加热与有效的水分/离子传输相结合的结构设计。然而，水凝胶蒸发器在反复湿润-干燥或长期暴露于盐水中时仍可能遭受机械完整性和结构变形的问题[27]。因此，引入机械增强的可持续纤维成分是一种实用的方法，可以在保持高效水分传输的同时提高耐用性。除了性能考虑之外，蒸发器组件的可持续性和可扩展性对于实际应用也越来越重要。小麦秸秆是一种丰富的农业副产品，将其转化为纤维素微纤维（CMFs）提供了一种低成本且可持续的增强策略，同时减少了农业废弃物。这有助于减少废物、保护森林、减轻污染，并推动循环经济原则的发展。在基于水凝胶的蒸发器中，这种纤维状纤维素增强材料还有助于在长时间运行期间保持结构完整性和稳定的水分传输路径[28]、[29]。}

在这项工作中，我们报道了一种通过冷冻铸造策略制备的、用小麦秸秆衍生纤维素微纤维增强的坚固Ti₃C₂T_x/海藻酸盐水凝胶。海藻酸盐基质提供了亲水的、可扩展的水凝胶框架，而CMFs作为可持续的增强相，有助于构建稳定且相互连接的多孔网络以进行水分传输。Ti₃C₂T_x MXene作为光热组分，实现了高效的光吸收和快速的界面加热。通过将这些组分整合到冷冻铸造结构中，所得到的水凝胶蒸发器在单太阳光照下表现出高蒸发性能，并在海水淡化过程中具有有效的抗盐能力。该研究系统地评估了结构-性能关系、光热行为、蒸发/淡化性能和操作稳定性，展示了这种可持续水凝胶设计在实际太阳能驱动的水净化和海水淡化中的潜力。

材料

小麦秸秆（从中国兰州的当地市场购买），乙酸（99 wt%，天津富宇精细化工有限公司），甲酸（88 wt%，成都Chron化工有限公司），磷酸（85 wt%，成都Chron化工有限公司），十水合焦磷酸钠（上海展云化工有限公司），过氧化氢溶液（H₂O₂，30%，天津Kermel），碳化钛铝MAX粉末（Ti₃AlC₂，98%，上海Macklin生物化学技术有限公司），盐酸（HCl）

制备和化学成分

纤维素微纤维（CMFs）通过混合酸脱木质素法从小麦秸秆中制备（图1a）。然后通过使用NH₄F/HCl溶液选择性蚀刻Ti₃AlC₂中的铝（Al）层来合成多层Ti₃C₂T_x MXene（图1b）。Ti₃C₂T_x/海藻酸盐/CMFs水凝胶通过一层和两层冷冻铸造方法制备，随后用CaCl₂交联并冷冻干燥（图S1）。一层和两层冷冻铸造结构的设计旨在

结论

通过冷冻铸造、化学交联和冷冻干燥成功制备了一种具有高度亲水性和坚固性的Ti₃C₂T_x/海藻酸盐水凝胶，该水凝胶用小麦秸秆CMFs增强。采用独特的一层和两层冷冻铸造策略，并调整CMFs和Ti₃C₂T_x MXene的浓度，优化了水凝胶的性能，使其具有多孔结构，促进了快速的水分传输、增强的光吸收和高光热转换效率。

CRediT作者贡献声明

穆罕默德·穆尼布·艾哈迈德（Muhammad Muneeb Ahmad）：撰写——原始草案、方法论、研究、数据分析、概念化。 阿里娜·法蒂玛（Areena Fatima）：可视化、验证、软件、方法论、研究、数据分析。 马云云（Yunyun Ma）：可视化、验证、软件。 穆恩扎尔·巴德沙（Munzar Badshah）：撰写——审稿与编辑。 马晓琴（Xiaoqin Ma）：撰写——审稿与编辑。 曲兆伟（Zhaowei Qu）：撰写——审稿与编辑。 黄露露（Lulu Huang）：可视化、验证、软件。 张琳（Lin Zhang）：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（编号22376086和22327805）以及中国北方稀土（集团）高科技有限公司的研究项目（编号BFXT-2022-D-0083）的财政支持。