含有相变材料的空心二氧化硅微球气凝胶，用于太阳能驱动的延时海水淡化过程，并结合光热-光催化技术进行净化处理

《Materials Today Chemistry》：Hollow silica microsphere aerogels incorporating phase change materials for solar-driven extended desalination with photothermal-photocatalytic decontamination

太阳能蒸发器效率提升与污染治理研究。采用方向性冻干法制备 Alginate 空心凝胶复合 MXene/PPy 光热催化层，结合 ODA 相变材料与 HSM 硅空心微球封装，实现 94.59% 热转换效率及 1.62 kg/m2·h 高蒸发速率。系统兼具光催化降解（RhB 99.54%，MB 84.43%）与长时稳定蒸发能力，有效解决间歇光照与污染物累积问题。

　　

陈丽华|何彦宇|肖朝虎|金阳|陈少鹏|郑文宇|张宇涵

国家民族事务委员会环保复合材料重点实验室，甘肃省生物质功能复合材料工程技术研究中心，甘肃省环保复合材料与生物质应用重点实验室，西北民族大学化学工程学院表面与界面化学基础科学研究中心，兰州，730030，中国

摘要

太阳能驱动的界面蒸发已成为一种极具前景的脱盐解决方案，能够提供强大且高效的性能。然而，界面蒸发器在实现高效能量利用和长期蒸发稳定性方面仍面临诸多挑战，这主要是由于间歇性的太阳光照和污染物积累所致。为了解决这些问题，我们制备了一种定向结构的海藻酸气凝胶（OSLA-MXene/PPy），其中掺入了负载十八烷基胺相变材料的二氧化硅空心球，并在其表面涂覆了聚吡咯（PPy）层和Ti₃C₂Tx MXene纳米片。上层MXene/PPy层具有出色的光吸收和光催化降解能力，用于有机染料的光催化降解；而下层含有十八烷基胺相变材料，表现出优异的能量存储性能，二氧化硅空心球则用于封装十八烷基胺相变材料以防止泄漏。通过合理结合相变材料和太阳能吸收剂，OSLA-MXene/PPy在1太阳光照条件下实现了1.62 kg m^?2 h^?1的蒸发速率，光热转换效率达到94.59%，远高于不含相变材料的HSM-MXene/PPy（在相同光照条件下的蒸发速率为1.40 kg m^?2 h^?1，光热转换效率为84.16%）。同时，OSLA-MXene/PPy表现出连续的蒸发行为，对罗丹明B（RhB）和亚甲蓝（MB）的去除率分别达到了99.54%和84.43%。本研究为通过相变材料与太阳能吸收剂的协同集成，实现可持续蒸发、高效海水脱盐和废水处理提供了有希望的策略。

引言

水资源短缺已成为一个紧迫的全球性危机，尤其是在水资源严重匮乏且人口密度高的地区[1,2]。尽管传统的海水处理技术（如反渗透和多级闪蒸法）在技术上可以满足特定需求，但高能耗和设备复杂性增加了工艺成本和技术要求[[3], [4], [5]]。近年来，界面太阳能蒸发技术因其绿色和可持续的特性而受到了广泛关注[[6], [7], [8]]。通过在光热材料与水之间的界面构建高效的光能吸收区域[9]，该技术能够直接将水分子转化为蒸汽，具有操作简单、能耗低且无二次污染等显著优势[10]。然而，这项技术的广泛应用仍受到多种挑战的阻碍，包括光照强度波动导致的蒸发效率不稳定[[11], [12], [13]]、传热效率不佳[14]、表面亲水性差以及在高盐度水条件下的盐沉积[13,15,16]。

为了提高蒸发效率、优化热存储/释放动态并提升系统的稳定性和可持续性[17]，研究人员开始探索将相变材料（PCMs）集成到界面太阳能蒸发系统中[18]。通过热存储和释放，PCMs可以减轻光照强度波动对蒸发效率的影响，并在低光照或夜间条件下延长蒸发时间[19,20]。这种热调节能力不仅显著提高了蒸发效率，还减少了因热量过度积累导致的效率波动[[21], [22], [23]]。它们的缓释特性有助于减轻盐分沉积，保持系统效率和稳定性，并有助于热管理[[24], [25], [26]]。PCMs的引入显著提高了系统的能量利用效率，减少了高光照时期的热量损失[27]，并提高了热能的利用率[28]，从而优化了整个蒸发过程的能量效率[29]。通过增强热存储能力[30]，PCMs可以解决间歇性光照和能量转换效率低下导致的蒸发速率下降问题[31]。PCMs不仅提高了蒸发效率，还增强了系统的耐用性和长期稳定性。总体而言，相变材料的集成有效提升了太阳能蒸发系统的综合性能，延长了设备的使用时间，并在不同环境条件下增强了系统的稳定性和可持续性[23,32]。此外，PCMs的缓释特性有效减少了盐分结晶，确保了长期保持高蒸发性能[[33], [34], [35]]。在气凝胶中引入排列有序的通道结构对于优化热量和水流路径至关重要。排列有序的通道精确引导水流，从而最小化热量损失并促进均匀的热量分布，提高蒸发速率[[36], [37], [38]]。同时，这种排列结构减少了盐分沉积[39]，增强了系统的耐盐性和长期稳定性。

除了间歇性的太阳辐射外，污染物积累也是先进太阳能蒸发器需要解决的问题[40,41]。污染物积累会阻挡阳光，堵塞供水通道，降低光热转换效率[42,43]。为了解决这一挑战，将光热效应与太阳能驱动的光催化作用相结合至关重要，以实现热辅助下的污染物光降解的协同增强。这种集成具有双重功能：高效的光驱动水蒸发性能和光催化降解性能。作为一种新型二维材料，Ti₃C₂Tx MXene因其优异的亲水性、宽吸收光谱覆盖范围和出色的光热转换性能而成为太阳能吸收材料的有希望的候选者[44,45]。尽管Ti₃C₂Tx MXene在太阳能转换应用中具有巨大潜力，但其实际应用仍受到其固有缺陷的挑战，尤其是其对氧化的敏感性[46], [47], [48]。为了解决这一问题，聚吡咯（PPy）[49]因其出色的光吸收能力、显著的光热性能和稳健的化学稳定性而成为与Ti₃C₂Tx MXene纳米片复合的最佳候选材料。Ti₃C₂Tx MXene和PPy的复合材料不仅增强了Ti₃C₂Tx MXene的稳定性，还进一步提升了其光热转换性能，拓展了其在能源领域的应用潜力。此外，Ti₃C₂Tx MXene的高电导率促进了光生电子从PPy向Ti₃C₂Tx MXene表面的快速传输，有效减少了电子和空穴的复合，从而使MXene/PPy复合材料具有优异的光催化降解性能。这些优势使得MXene/PPy复合材料在界面太阳能蒸发系统中具有很高的应用价值。

鉴于上述背景，通过定向冷冻干燥制备了定向结构的复合气凝胶（OSLA-MXene/PPy）蒸发器，并通过温度梯度诱导构建了排列有序的通道结构。本研究采用十八烷基胺（ODA）作为相变材料，其相变温度（约50°C）与太阳能蒸发系统的典型工作温度相匹配。ODA还具有高潜热和优异的化学稳定性。为了提高循环稳定性和防止泄漏，选择了单孔空心二氧化硅微球（HSM）作为封装基质。HSM具有微米级尺寸、单通道孔隙率和空心结构。由于其高比表面积和限制效应，HSM能够高效负载ODA，同时改善传热性能和结构稳定性。通过将ODA封装在HSM中，并将所得复合材料与MXene/PPy光热层结合，制备了一种集高效光热转换、热能存储和可控释放功能于一体的复合蒸发系统。

上层MXene/PPy层具有出色的光吸收和光催化降解性能，而下层含有十八烷基胺相变材料，表现出优异的能量存储性能。这种双层结构的功能设计增强了机械强度和热绝缘性，优化了水/热流路径，提高了蒸发效率和抗盐性。光催化测试显示，罗丹明B（RhB）和亚甲蓝（MB）的去除率分别为99.54%和84.43%。此外，OSLA-MXene/PPy在光照3小时后关闭光源仍能继续蒸发超过3小时，恢复到初始温度所需的时间也比HSM-MXene/PPy长，表明该材料具有良好的能量存储能力和优异的蒸发性能。

本研究的重大进展是将光热转换和电热转换能力集成到高性能相变复合材料中。大多数基于ODA的形状稳定型PCMs仅作为被动的热存储介质。通过引入OSLA-MXene/PPy气凝胶，我们将ODA转变为一个主动的能量收集和存储系统。其创新之处不仅在于添加了MXene以提高导电性，还在于相互连接的MXene/PPy网络提供了高效的光子吸收和声子/电子传输路径。这使得复合材料能够捕获太阳能或低电压电能，将其转化为热能，并通过ODA的相变立即存储起来。这种“捕获-转换-存储”的三重功能，得益于我们材料的独特结构，代表了智能热管理应用的概念性飞跃。

材料

硅酸钠（AR,90%），聚丙烯酸钠，正己烷，Span 80，Tween 80，碳酸氢铵，海藻酸钠，十八烷基胺，十二烷基磺酸钠（SDS），乙醇（≥99.5%，无水级，水分含量≤0.005%），盐酸溶液（37 wt%），植酸（50 wt%），碳化钛铝（Ti₃AlC₂，200目，99.8%）。

二氧化硅微球（HSM）的制备

二氧化硅微球（HSM）通过三元相溶液法成功制备，该方法涉及三个核心相，即内部水相

材料形态与组成

如图2(a和b所示，成功制备了空心二氧化硅球。如图2(c和d所示，通过EDS表面表征检测到N元素的存在，证实了相变材料已成功掺入二氧化硅空心球中。ODA@HSM的EDS光谱中N元素的存在进一步证实了相变材料的负载。

如图2(e–h所示，OSLA-MXene/PPy气凝胶的SEM图像

结论

总之，本研究通过简单高效的浸渍方法结合原位聚合策略，成功开发了一种新型的太阳能驱动界面蒸发器OSLA-MXene/PPy。OSLA-MXene/PPy将Ti₃C₂Tx MXene和聚合物聚吡咯（PPy）涂层集成到掺有负载十八烷基胺相变材料的定向结构海藻酸气凝胶上。得益于十八烷基胺的能量存储能力

CRediT作者贡献声明

陈丽华：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。何彦宇：撰写 – 原稿撰写，数据分析。肖朝虎：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。金阳：验证，软件应用。陈少鹏：方法学研究，实验设计。郑文宇：概念构思。张宇涵：数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了甘肃省大学产业计划项目（2025CYZC-006-->）、中央政府指导地方科技发展专项基金（24ZYQA026-->）、国家自然科学基金（22365026-->）、甘肃省青年科学基金（24JRRA160-->）以及中央高校基本科研业务费（319220240094-->；31920240125-06-->）的支持。