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基于Ti3C2-MXene的太阳能界面水汽转换

徐佑森 ,  张振 ,  唐彪 ,  周国富

化学进展 ›› 2021, Vol. 33 ›› Issue (11) :2033-2055

PDF (27053KB)
化学进展 ›› 2021, Vol. 33 ›› Issue (11) :2033-2055 DOI: 10.7536/PC200955
综述
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基于Ti3C2-MXene的太阳能界面水汽转换

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Ti3C2-MXene for Interfacial Solar Steam Generation

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摘要

水资源匮乏是现代化发展中面临的全球性问题,太阳能界面水汽转换(Interfacial Solar Steam Generation, ISSG)是一种高效、绿色、低成本进行海水淡化和废水处理的方法。ISSG使用绿色的太阳能作为热源,通过光热转换并将热限制在水气界面上以高效产生蒸气,然后经过冷凝收集获得清洁水。设计和构筑具有强光吸收的光热转换材料是ISSG的技术核心。Ti3C2-MXene是一种新型二维碳化钛材料,具有比表面积大、水分散性好和光热转换效率高等优点,在ISSG领域具有巨大的应用潜力。本文介绍了ISSG技术和MXene,总结了光热转换材料的设计原则,论述了Ti3C2-MXene复合材料在ISSG领域的研究进展,其中包括二维MXene薄膜、三维MXene气凝胶和水凝胶、生物基-MXene复合材料的构筑和性能等,并分析了Ti3C2-MXene所面临的挑战和发展前景。

Abstract

Interfacial Solar Steam Generation(ISSG) is a promising technology for seawater desalination and wastewater treatment, providing an efficient, green, and low-cost method to address the globally water shortage issue. ISSG employs the green and wide-spread solar energy as the energy resource and localizes the heat converted from sunlight at the water-air interface, leading to an enhanced interfacial temperature and solar steam generation efficiency. Designing and fabricating the photothermal conversion materials with high light absorption is the key for ISSG technology. Ti3C2-MXene is a recently developed two-dimensional titanium carbide and possesses many fascinating properties, such as large specific surface area, well water-dispersibility, and high photothermal conversion ability. Therefore, Ti3C2-MXene shows promising potentials as photothermal conversion material for ISSG. The application of Ti3C2-MXene in ISSG attracts much attention and becomes one of the hottest topics in recent years. In this review, we first introduce the ISSG technology, MXene, general principles for designing photothermal materials, and then elaborate the recent research progress of Ti3C2-MXene composites for ISSG, including the design and fabrication of two-dimensional MXene films, three-dimensional MXene hydrogels or aerogels, bio-based MXene nanocomposites, etc. In the end, the promising prospects and challenges of Ti3C2-MXene for ISSG applications are discussed.

Contents

1 Introduction

1.1 Interfacial solar steam generation

1.2 Design and example analysis of material system in ISSG

1.3 Ti3C2-MXene

1.4 Applications of Ti3C2-MXene for ISSG

2 Research progress of Ti3C2in interfacial solar steam generation

2.1 Two-dimensional MXene membrane

2.2 Three-dimensional MXene composite material

2.3 Bio-based and biomimetic MXene nanocomposites

3 Development prospects and challenges

4 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

太阳能界面水汽转换 / 光热转换 / Ti3C2-MXene / 二维碳化钛

Key words

interfacial solar steam generation / photothermal conversion / Ti3C2-MXene / two-dimensional titanium carbide

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徐佑森, 张振, 唐彪, 周国富. 基于Ti3C2-MXene的太阳能界面水汽转换[J]. 化学进展, 2021, 33(11): 2033-2055 DOI:10.7536/PC200955
Yousen Xu, Zhen Zhang, Biao Tang, Guofu Zhou. Ti3C2-MXene for Interfacial Solar Steam Generation[J]. Progress in Chemistry, 2021, 33(11): 2033-2055 DOI:10.7536/PC200955

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1 引言

目前全球约2/3的人口面临着不同程度的水资源匮乏问题,清洁淡水资源的短缺严重制约了世界上部分国家和地区的发展,并影响了人类的生存环境和用水安全。近年来发展的太阳能界面水汽转换技术(Interfacial Solar Steam Generation, ISSG) 利用绿色的太阳能作为热源,通过光热转换并将热限制在水气界面上以高效产生蒸气,然后经过冷凝收集获得清洁水,因此ISSG是一种高效、绿色、低成本进行海水淡化和废水处理的方法,受到了科研界和工业界的广泛关注。设计和构筑具有强光吸收的光热转换材料是ISSG的技术核心,目前已经开发出基于碳材料、石墨烯、导电聚合物、贵金属纳米颗粒和Ti3C2-MXene等多种光热转换材料,其中Ti3C2-MXene是一种新型二维碳化钛材料,具有比表面积大、水分散性好和光热转换效率高等优点,在ISSG领域表现出了巨大的应用潜力,也是近年来太阳能水汽转换领域的研究热点。然而目前关于Ti3C2-MXene在ISSG领域的综述文章还非常少。

本综述首先介绍了ISSG技术,总结了ISSG中光热转换材料的设计原则,通过实例分析了光热转换材料的设计原则在ISSG中的具体应用;然后介绍了MXene材料,并讨论了MXene在ISSG中的应用;重点论述了Ti3C2-MXene复合材料在ISSG领域的研究进展,主要包括二维MXene薄膜、三维MXene气凝胶和水凝胶、生物基-MXene复合材料的构筑和性能等;最后分析了Ti3C2-MXene所面临的挑战和发展前景。

1.1 太阳能界面水汽转换简介

水是地球上最常见的物质,也是生命体赖以生存的基础。据统计,地球70.8%的地表面积被水覆盖,但其中97%是无法直接利用的海水,仅有不到3%的水是人类所亟需的淡水[1]。无论是农业灌溉抑或是工业发展,均离不开淡水资源[2,3],再加上水资源分布的不均,全球约2/3的人口面临着不同程度淡水资源匮乏的问题[4,5]。随着工业化和城市化进程的推进,人们对淡水资源的需求日益增加。淡水资源的匮乏严重制约着某些地区的发展,也是工业化、城市化进程中不得不考虑的重要问题之一[6,7]。因此,如何有效地从无尽的海水以及废水中提取出符合使用标准的淡水是解决淡水资源匮乏的重要方法之一[8]。传统的淡水提取方法包括膜法和热法[9⇓⇓⇓~13],膜法是采用膜进行过滤或反渗透的方法,热法是指加热蒸馏的方法,但这两种方法均不可避免地需要消耗大量的化石能源,能耗高,对环境不友好,且实际效率也有限。因此亟需开发一种绿色、高效和低成本的海水淡化和废水处理技术。

太阳能水汽转换技术是一种绿色水处理技术,其利用太阳能加热促进水蒸发,然后将水蒸气冷凝后收集,从而实现海水淡化或废水处理,可替代传统高耗能的膜法和热法[14⇓~16]。传统的太阳能海水淡化方法有两种:一种是直接蒸馏,即利用太阳光直接照射并加热海水,促进海水蒸发,然后再通过冷凝收集蒸气,从而获得淡水[14];另一种是利用太阳能集热器或加热管,将海水加热到一定温度后,放入闪蒸或低温多效蒸馏系统,获得淡水[15]。太阳能水汽转换技术是热法技术的引申,其利用太阳能作为热源,具有成本低和绿色环保等优点。然而,地球表面上太阳能的能量密度有限,传统太阳能水汽转换技术对整个水体进行加热,加热效果不理想,而且往往需要加入价格昂贵的高倍率聚光器才能保证效率[17⇓⇓⇓⇓⇓~23]。最近几年发展的ISSG技术通过设计光热材料,将太阳能转换的热限制在水气界面上,主要对水气界面的水进行加热,减少了热的散失,大大提高了太阳能水汽转换效率,是目前最具前景的海水淡化和废水处理技术之一[24⇓⇓⇓⇓⇓~30]。

1.2 ISSG中材料体系的设计思路和实例分析

光热转换材料的设计和构筑是ISSG技术的核心,高效的ISSG材料体系应具有以下5个特点[31⇓⇓~34]:(1)较强的光吸收和光热转换能力;(2)能够通过毛细作用力将水运输至高温区,保证水的供应;(3)能够漂浮在水面上;(4)低的热导率以降低热损失;(5)蒸气有效释放逸出。因此,ISSG材料体系通常包括两部分:主体光吸收层和辅助功能层。主体光吸收层吸收太阳光并转换成热,具有较高的温度,所以该层也被称为光热转换层或高温层。辅助功能层是指为了提高太阳能水汽转换效率而置于光吸收层下方的隔热泡沫和水运输介质等。

ISSG技术的核心是将具有较强光吸收的材料固定在水的表面,并形成高温层,因此这项技术的关键在于ISSG材料体系的设计和构筑,包括材料体系的组成成分和形貌结构。光吸收层的组成成分直接影响了太阳能水汽转换的效率,从材料的组成成分上来讲,目前常用的光热转换材料包括具有较强太阳光吸收能力的炭黑[35,36]、碳纳米管(CNT)[37,38]、石墨烯[39,40]、氧化石墨烯(GO)[41,42]、有机聚合材料聚吡咯(PPy)[43⇓~45]、无机非金属纳米材料[46,47]、具有局域等离子体共振(LSPR)效应的贵金属纳米颗粒以及近年来刚兴起的二维氮化钛或碳化钛(MXene)材料等[48]。

ISSG材料体系的形貌和结构对光热水汽转换效率也有直接的影响。对于主体光吸收层而言:(1)光吸收层可以是二维的薄膜[45,46],也可以是三维结构的多孔材料,比如气凝胶[39,40]和水凝胶[49,50],但二维的薄膜的紧密结构可能会阻碍水向界面的输送,从而导致较低的水汽转换效率;(2)和二维材料相比,三维结构的多孔材料通常拥有更高的水汽转换效率,这是因为其具有丰富的孔道结构,增强了太阳光在光吸收层孔道内的多重反射和吸收,而且也更利于水向界面的输送[51];(3)但是一般三维多孔气凝胶和水凝胶通常呈现不规则的网状结构和不均匀的孔径分布,这种结构不利于通过毛细作用进行水的输送,利用定向冷冻技术[49,52,53],通过冰晶的垂直定性生长,真空冷冻干燥后可构造垂直孔道,垂直孔道能大大缩短水运输的距离,从而提高水的运输效率,且有利于蒸气逸出;(4)为了保证水能够有效地运输至水气界面,光吸收层应具有通过毛细作用力将水输送至水体表面的能力,因此光吸收层一般是亲水结构[37,41,43,47,48];(5)然而,亲水结构的光吸收层进行海水淡化时会容易在材料表面析出盐结晶,造成材料孔道的堵塞,影响光吸收和水运输,构筑上层疏水、下层亲水的光吸收层结构可以有效提高盐阻隔能力[53,54]。对于辅助功能层而言:(1)通常可以在光吸收层下方引入一层疏水泡沫材料,一方面可以使光吸收层始终漂浮在水面上,另一方面泡沫材料具有较低的热导率,可以有效降低从高温层向低温水体的热传导,常用的疏水隔热泡沫有聚苯乙烯泡沫(PS)[55]和发泡聚乙烯泡沫(EPE)[56]等;(2)然而,疏水泡沫的存在会影响水的运输,因此需要在疏水泡沫材料中间引入具有较强吸水能力的材料作为水运输介质,比如无纺布[51,54]和棉线[57]等,从而促进水向光热材料的运输;(3)此外,水中存在大量的细菌,在进行水处理的时候,细菌及其代谢生物大分子不可避免地会导致材料孔道堵塞,在光吸收层下方的水运输支架中引入抗菌材料能有效提高材料体系的抗菌性能和使用时长[58]。

以下从几个实例阐述和分析ISSG材料体系的设计原则和构筑方法。还原氧化石墨烯(rGO)和多壁碳纳米管(MWCNTs)都具有较好的光吸收性能。如图1a所示,江河清等[59]制备了rGO-MWCNTs复合薄膜作为光吸收层,并对rGO-MWCNTs光吸收层的表面粗糙度进行调控优化,通过减少光的反射来提高太阳辐射吸收。rGO-MWCNTs光吸收层内部形成的间隙有利于毛细作用引起的水输运,在没有隔热泡沫的情况下,rGO-MWCNTs复合薄膜的光热水汽转换效率可达80.4%。陆杨等[58]将具有抗菌作用的氧化锌纳米晶引入氧化石墨烯(GO)气凝胶支架中,使材料体系具有抑制细菌的作用,从而提高了材料体系的使用稳定性。

江河清等[60]设计了一种三明治结构的ISSG材料体系。如图1b,c所示,化学气相沉积聚合法(CVPD)制备的聚吡咯(PPy)薄膜作为上层光吸收层,中间层是高度亲水的吸水纸(增加水输送),最下层是发泡聚乙烯泡沫(EPE),然后通过棉线连接吸水纸和水体。这种结构既保证了水体的供应,也降低了热损失,大大提高了水汽转换效率。余桂华等[61]以聚乙烯醇(PVA)和壳聚糖为水化骨架,PPy为吸光材料,制备了具有水合作用和较强光热转换能力的水凝胶,在一个太阳光照强度(1 Sun=1 kW·m-2)的光照射下,该水凝胶水蒸发速率高达3.6 kg·m-2·h-1。

朱嘉等[62]采用大自然普遍存在的蘑菇构筑了一种新颖的ISSG材料。如图1d所示,蘑菇具有伞状的黑色菌盖、多孔的文脉和纤维柄,黑色菌盖能有效减少热量的损失,多孔的文脉有利于水蒸气的逸出,纤维柄有利于水体运输,因此蘑菇具有ISSG所需的条件。但是蘑菇本身的吸光性能有限,因此他们将其在氩气氛围下,500 ℃高温碳化12 h,以此提升其吸光能力,碳化以后的蘑菇表面更粗糙,光吸收性能大大提高,从而提高了水汽转换效率。

1.3 Ti3C2-MXene的简介

目前常用的光热转换材料,如炭黑、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、有机聚合材料聚吡咯、无机非金属纳米材料和具有局域等离子体共振效应的贵金属纳米颗粒等,在ISSG应用中仍存在一些问题。如碳材料的光热转换效率不高;石墨烯制备成本较高,而且不能分散在水中[63];石墨烯的衍生物氧化石墨烯(GO)虽然可以分散在水中[64],但由于引入大量的含氧基团,其吸光能力不如石墨烯;另外,氧化石墨烯等亲水性材料容易吸水膨胀从而影响其机械性能和脱盐能力[65],通常需要进行必要的化学交联等改性才能适用于水处理[66,67];虽然可以通过将GO还原成还原氧化石墨烯(rGO),以提高光吸收能力和稳定性,但rGO的机械性能和电导率差[68],且固有的疏水性严重阻碍了水向蒸发表面的输送;具有LSPR效应的贵金属纳米颗粒作为光吸收层时,在长时间光照下会发生熔合,这减弱了粒子表面的电子振荡[69];而且,贵金属纳米颗粒的吸收带宽取决于其尺寸和形状,对纳米颗粒形貌的调控增加了材料的复杂性和成本[70,71]。因此,为了构筑更加适用于ISSG的材料体系,亟需开发一种性能更好的光热转换材料。近年来发展的二维氮化钛或碳化钛(MXene)材料,由于其优异的水分散性、光热转换效率、阻盐和抗菌特性等,在ISSG领域表现出了巨大的应用潜力。

MXene是由MAX相经刻蚀A层而获得的二维氮化钛或碳化钛纳米材料。MAX相是一类金属碳化物或氮化物的统称,其得名于自身的化学通式Mn+1AXn,其中n=1、2或3,M为过渡金属(如Ti、V、Cr等),A为碳、氮、氧族的金属元素(如Al、Si等),X为C或/和N原子[72]。如图2所示,MAX相晶体结构虽为三维,却是由二维层状结构互相“粘连”堆积而成[73]。无论n值大小,MAX相中皆有[XM6]构成的变形八面体,这些变形八面体会以共棱的方式同层延展,形成M-X层,而各层中相邻的M则以金属键连接。A层位于M-X层上下两侧,并与相邻M-X层中的M以金属键相连。因此MAX相的结构相当于在X层中穿插M金属层和A金属层,这使其拥有优良的导电性和导热性。由于良好的导电性以及二维层状结构,MAX相可作为Li+的插层电极材料[74]。然而MAX相自身存储Li+的能力有限,所以需要刻蚀剥离MAX相中的A层以打开其层状结构,制备出二维过渡金属碳化物或氮化物MXene,从而更加适用于作为Li+的插层电极材料,MXene中的“ene”代表二维材料,类似于graphene和silicene等。

MXene是一种新型二维过渡金属碳化物或碳氮化纳米层状材料,自2011年Gogotsi等[75]首次成功制备MXene以来,受到了广泛的关注,被应用于润滑材料[76,77]、吸附材料[78,79]、电池[80,81]、传感器[82,83]、超级电容器[84,85]、分子分离[86,87]、异质结[88,89]、催化剂[90,91]以及电磁吸收和屏蔽[92,93]等领域。MXene的结构式为Mn+1XnTx,其中M是过渡金属,X是C或/和N原子,Tx是表面官能团(如=O、—F、—OH等,n=1、2或3)。在MXene材料的大家族中,研究最广泛的是碳化钛Ti3C2-MXene,它是由MAX相Ti3AlC2刻蚀掉Al原子层所产生[94]。

刻蚀Ti3AlC2中的Al原子层制备Ti3C2-MXene的方法通常有6种[95]:(1)氢氟酸(HF)刻蚀[96];(2)氟化锂(LiF)和盐酸(HCl)刻蚀[97];(3)氟化氢化合物(NaHF2、KHF2和NH4HF2)刻蚀[98];(4)浓碱(氢氧化钠,NaOH)刻蚀[99];(5)氢氧化钠(NaOH)和硫酸(H2SO4)刻蚀[100];(6)电化学刻蚀,电解液为NH4Cl和四甲基氢氧化铵(TMAOH)二元水溶液[101]。HF刻蚀制备的Ti3C2-MXene结构较为完整,层片清晰,比较适合作为基体材料(如图3a,b所示)。利用LiF和HCl刻蚀制备的Ti3C2-MXene层状结构较为模糊,表面附着有脱落的Ti3C2-MXene小片,较为适合制备分层Ti3C2-MXene(如图3c,d所示)。通过氟化氢化合物刻蚀制备的Ti3C2-MXene 层与层分明,结构完整(如图3e~h所示),

但是存在难以去除的副产物Na3AlF6、K3AlF6和(NH4)3AlF6,可能会妨碍Ti3C2-MXene的进一步应用。采用浓碱、NaOH和H2SO4或电化学刻蚀法,其优点是不会引入含氟基团,含氟官能团的存在会降低Ti3C2-MXene的吸附和储能性能,因此这三种方法制备的Ti3C2-MXene的电化学催化活性和使用寿命得到了显著改善。其中,电化学刻蚀法制备所得Ti3C2-MXene的单或双分子层产量超过90%。但是这三种制备方法也有明显的缺点。浓碱刻蚀法刻蚀效果差,分层不明显(如图3i,j所示),且对刻蚀试剂要求高,需要在高温下进行,然而高温刻蚀会增加Ti3C2-MXene被氧化变质的可能性。NaOH和H2SO4刻蚀法耗时耗力,并且刻蚀效果较差(如图3k,l所示),应用范围受到了限制。电化学法虽然刻蚀后分层明显(如图3m,n所示),但也存在耗时耗力,应用范围窄和不环保等问题。

1.4 Ti3C2-MXene在太阳能界面水汽转换的应用

由于MXene独特的结构和性能,在ISSG应用领域表现出了突出的优势和巨大潜力。

首先,Ti3C2-MXene表面带有大量的=O、—F、—OH等基团,因此与石墨烯或还原氧化石墨烯不同,Ti3C2-MXene独特的表面化学特性使其具有较好的亲水性、优异的水分散性和表面化学易改性的特点,令Ti3C2-MXene成为一种具有可调性能的多功能二维纳米材料[102]。

其次,MXene具有优异的光热转换能力。金属纳米粒子通常具有一种独特的局域表面等离子体共振(LSPR)效应,这种效应使其具有突出的太阳光吸收能力[103,104]。这是因为当光子频率与金属纳米粒子表面电子的固有频率一致时,金属-介电界面电荷的共振光子会诱导相干振荡,促进光热电子的产生,有利于近红外区域的光吸收。吸收的太阳能进一步转化为热量,通过晶格散射的振动耗散到周围的介质中,从而提高周围的温度。作为其中一种金属纳米粒子,Ti3C2-MXene同样具有较强的LSPR效应[105]。而且,特殊的组成结构也使得Ti3C2-MXene拥有优异的导电性能。根据麦克斯韦方程的解法[106],材料的电导率越高,其消光系数越高,电磁波吸收越好,也就是吸光能力越强,因此导电性能优异的Ti3C2-MXene具有突出吸光能力。Li等[107]基于液滴的光吸收和热测量系统研究证实,Ti3C2-MXene具有优异的光热转换能力,光热转换效率几乎可以达到100%。Ti3C2-MXene的光热转换效率如此突出的原因至今还未完全揭示,其中一种比较权威的解释是MXene的电磁干扰屏蔽效应使得未反射的电磁波可以穿过MXene晶格结构,在层间进行内部反射,最终被吸收至发射可以忽略的结构之中[105]。

研究表明Ti3C2-MXene具有脱盐和盐阻隔的能力[50]。在ISSG的应用中,水分蒸发后,海水中的盐会在材料表面不断结晶析出,堵塞孔道,这会明显降低供水量和蒸气压力,导致蒸发速率明显降低,对材料造成破坏[51]。Ti3C2-MXene表面带有大量的—O、—F、—OH等基团,可进行疏水改性以防止脱盐过程中盐在光热材料表面的析出,提高材料的盐阻隔性能,延长材料的稳定性和使用寿命[50]。

最后,Ti3C2-MXene还拥有良好的抗菌性能。进行水处理时,无论是海水、废水或是湖水中均存在大量的细菌,这些细菌及其代谢生物大分子会集中附着在ISSG材料上,形成生物膜,并且微生物细胞的大量增殖也积累在材料通道上,导致孔道堵塞[57]。Ti3C2-MXene对细菌的生长抑制率接近100%,可以防止细菌在光热材料上形成生物膜[108]。Ti3C2-MXene的抗菌机理也尚处于研究阶段,现阶段存在几种可能的解释[108]:(1)细菌细胞暴露于MXene的尖锐边缘可能会导致细胞膜损伤;(2)MXene及其活性表面的强还原活性作用;(3)较小的MXene纳米片可以通过直接物理穿透或内吞作用渗透到微生物细胞中;(4)MXene与微生物细胞壁和细胞质中的一些分子发生反应,破坏细胞结构,导致微生物死亡。

相比水分散性较差的石墨烯与还原氧化石墨烯,以及能分散于水中但吸光性能有所下降的氧化石墨烯等碳基太阳能吸收体而言,Ti3C2-MXene同时具有水分散性好、表面化学易改性、光热转换效率高、脱盐、盐阻隔和抗菌等性能特点,是一种更有潜力的光热转换材料,使得利用MXene设计并构筑高效的太阳能界面水汽转换体系成为近年来的研究热点。

2 Ti3C2在太阳能界面水汽转换的研究进展

在ISSG中,光热水汽转换效率和水蒸发速率是评估一个材料体系效率的两个重要指标。表1总结了部分Ti3C2-MXene复合材料在ISSG的部分条件和光热水汽转化效率。

目前,Ti3C2-MXene应用于ISSG领域主要有三种方式,二维薄膜、三维气凝胶或水凝胶以及生物基材料。二维薄膜通常以商用的基质薄膜为基础,制备工艺相对简单,但由于结构的差异,水汽转换效率不如三维气凝胶或水凝胶。三维气凝胶或水凝胶由于自身的多孔结构,在水运输与吸光性能方面表现突出,尤其水凝胶能够产生具有低蒸发焓的中间水, 可以实现更快速的水汽转换。但制备三维材料,不可避免地会耗费大量的MXene材料,成本较高。生物基或仿生MXene复合材料是指通过将MXene与生物基结合或变形模仿生物基材料结构的方法,生物基或仿生MXene复合材料能起到促进水汽转换效率的作用,而且生物基复合材料还具有环保、可再生、可降解、可减少MXene用量和可持续发展的优势。因此,生物基或仿生MXene复合材料可以有效降低MXene用量的同时,也保证了水汽转换的效率。

2.1 二维MXene薄膜

二维薄膜的制备方法大致可分为浸涂烘干法[44,45]、过滤法[109,110]和其他成膜方法[35,46,111]。浸涂烘干法需要两个步骤,首先将基质薄膜,如纤维素薄膜、聚偏氟乙烯薄膜(PVDF)或无尘纸等浸没于光热转换材料的溶液或分散液中,然后一段时间后将其取出并在一定温度下真空干燥(避免空气破坏)。浸涂烘干法通常需要重复以上步骤几次才能得到成型的光热转换薄膜。过滤法通常依靠流动相过滤器实现,其在真空下将光热转换材料抽滤沉积在基质薄膜上。除此之外,还有一些其他的成膜方法构筑MXene薄膜。

2.1.1 浸涂烘干法

如图4a所示,杨鸣波等[112]采用浸涂烘干法制备具有抗菌性能的Ti3C2-MXene/纤维素薄膜。制备方法如下:首先通过HCl/LiF刻蚀法制备MXene分散液,再将纯纤维素薄膜在室温下浸泡在Ti3C2-MXene分散液中3 s,然后在60 ℃下真空干燥10 min,经过反复操作以上步骤几次以后就形成Ti3C2-MXene/纤维素薄膜。该薄膜拥有较好的光吸收率,在光谱300~1500 nm波长范围内的光吸收率可达94.1%,然而该Ti3C2-MXene/纤维素薄膜不能自主漂浮在水面上。为了解决该问题,如图4b所示,在薄膜下方引入聚苯乙烯(PS)泡沫,并在聚苯乙烯泡沫周围包覆三聚氰胺泡沫(MF)作为水运输介质,这种结构不仅保证了材料体系可以漂浮在水面上,还降低了高温区向水体的热传导,有效提高了水汽转换效率。

另外,还原氧化石墨烯(rGO)具有较好的光热转换能力和抗菌性能,因此他们应用相同的方法制备了rGO/纤维素薄膜并与Ti3C2-MXene/纤维素薄膜作性能比较。结果表明,相较rGO而言,Ti3C2-MXene具有更强的光热转换能力和抗菌性能,更加适用于ISSG。Ti3C2-MXene/纤维素薄膜在一个太阳光照强度(1 Sun=1 kW·m-2)下,水蒸发速率为1.44 kg·m-2·h-1,光热水汽转换效率达到85.8%,而rGO/纤维素薄膜光热水汽转换效率仅为53.7%(如图4c,d所示)。如图4e~h所示,Ti3C2-MXene/纤维素薄膜对革兰氏阳性杆菌和阴性杆菌都具有较好的抗菌效果,在接触大肠杆菌和金黄色葡萄球菌24 h后,抗菌效率可达99.99%和99.98%,高于rGO/纤维素膜的90.57%和97.89%。

2.1.2 过滤法

王鹏等[107]报道了一款具有疏水表面的Ti3C2-MXene薄膜。以HF刻蚀制备了Ti3C2-MXene水分散液,然后通过流动相过滤器抽滤沉积到PVDF薄膜上。为了使该薄膜能够漂浮在水面上,以聚二甲基硅氧烷(PDMS)对Ti3C2-MXene薄膜表面进行疏水改性,PDMS是高度透明的,其对Ti3C2-MXene的吸光并不存在影响。结果表明,在1 Sun光强照射下,该膜的光热水汽转换效率为74%,而引入聚苯乙烯泡沫作为隔热层后,光热水汽转换效率升至84%。

在界面水汽转换过程中,盐在膜表面不断结晶,会堵塞孔道,对膜造成破坏,使得供水量和蒸气压力明显下降,导致蒸发速率明显降低。为了制备具有盐阻隔能力的Ti3C2-MXene光热转换薄膜,如图5a所示,阙文修等[54]通过HCl/LiF刻蚀和超声制备了脱层d-Ti3C2水分散液,然后采用氟化硅烷(Trimethoxy(1H,1H,2H,2H-perfluorodecyl)silane, PFDTMS)对d-Ti3C2进行疏水改性,最后通过流动相过滤器抽滤沉积在纤维素酯滤膜上,获得可自行漂浮在水表面的疏水d-Ti3C2薄膜。这种疏水表面改性使水体很难运输至薄膜表面,因此,经过一段时间海水蒸发后,相比亲水d-Ti3C2薄膜,疏水d-Ti3C2薄膜表面的盐结晶会大大减少(如图5c~h所示),这证明疏水改性提高了MXene膜的盐阻隔能力。盐阻隔能力的改善也提高了膜的稳定性,经测试发现,在高盐度条件下,疏水d-Ti3C2薄膜可稳定工作时长超200 h。另外,如图5b所示,在这项研究中,引入聚苯乙烯泡沫,并嵌入无纺布作水运输介质。最终该膜在1 Sun光强照射下,光热水汽转换效率为71%,水蒸发速率为1.31 kg·m-2·h-1,并且其对海水中4种主要离子(Na+、Mg2+、K+、Ca2+)的净化率超过99.5%,对有机染料和重金属的净化率接近100%(如图5i,j所示)。

杨伟等[113](如图6a所示)研发了一种Ti3C2-MXene包覆聚多巴胺(PDA)微球结构的光热转换材料,并通过真空抽滤制备了一款具有较好机械性能的PDA@MXene的光热转换薄膜。PDA微球是在室温条件下在含有水、乙醇和氨的混合物中氧化自聚合得到的。由于PDA微球表面的邻苯二酚基,Ti3C2-MXene表面也带有大量的—O、—F、—OH等基团,将二者以一定比例混合搅拌30 min后,二者间会形成氢键而紧密交联在一起,形成Ti3C2-MXene包覆PDA微球的结构。然后通过流动相过滤器在真空下将PDA@MXene微球抽滤沉积在PVDF薄膜表面就形成了PDA@MXene PVDF光热转换薄膜。Ti3C2-MXene和PDA对光可以起到协同吸收作用,而且球形PDA结构使薄膜表面变得粗糙,增强了太阳光在光吸收层内的多重反射和吸收,因此,PDA@MXene PVDF光热转换薄膜在光谱250~1500 nm波长范围内的光吸收率可达约96%。此外,由于Ti3C2-MXene和PDA的亲水性以及微球间有大量间隙,该薄膜可以实现快速的水运输和蒸气逸出。然而PDA@MXene PVDF光热转换薄膜无法漂浮在水面上,为了解决这个问题,如图6b所示,引入低热导率的圆木片作隔热泡沫。圆木片不仅具有低热导率的性质,其内部孔道还呈垂直结构,这使其能够通过毛细作用力将水快速运输至薄膜处。结果表明,得益于Ti3C2-MXene和PDA的协同作用,在1 Sun光强照射下,PDA@MXene PVDF光热转换薄膜的水蒸发速率为1.276 kg·m-2·h-1,光热水汽转换效率可达85.2%(如图6c~e所示)。

2.1.3 其他

对于二维薄膜结构的ISSG材料来说,由于自然太阳光强度有限,使其无法达到很高的光热水汽转换效率(>85%)。为了突破这个局限,如图7a所示,Li等[114]将Ti3C2-MXene分散在醋酸纤维素的聚合网络中,使二者发生交联作用,得到了一款光热水汽转换效率可达92.1%的光热转换薄膜(CAM)。在交联过程中,Ti3C2-MXene均匀分散并被包裹在醋酸纤维素的聚合网络中,这不仅提高了CAM薄膜的机械强度,也降低了Ti3C2-MXene接触到水和氧气的可能性。Ti3C2-MXene在与水和溶解氧接触时很容易被氧化,影响材料的稳定性,因此CAM可形成稳定耐用的膜体系。经过测试,CAM样品无论在100 ℃沸水、酸性溶液(H3PO4,pH = 3)或碱性溶液(KOH,pH =13)中浸泡1 h,能很好地保持自身的结构稳定性。

为了降低高温区向水体的热传导,如图7b所示,引入聚甲基丙烯酸甲酯泡沫(PMMA)作隔热泡沫,并构筑了一种呈T形的水通道来保证水运输。这种结构体系可以防止CAM膜内光热转换得来的热量向水体的传输,从而有效加速了水汽转换。结果显示,得益于材料体系结构的促进作用,在1 Sun光强照射下,CAM的水蒸发速率达到1.47 kg·m-2·h-1,光热水汽转换效率为92.1%。而且如图7c所示,CAM对高盐度海水(Na+ 初始浓度为18 000 mg·L-1)的净化率高达97.7%,可生成符合世界卫生组织(WHO)标准的饮用水。

2.2 三维MXene复合材料

应用于ISSG的三维材料主要有三种。(1)水凝胶:水凝胶是一种三维交联的亲水聚合物网络聚合物材料,由于其可调的物理化学性质,被广泛应用于柔性电子[115,116]、生物医学技术[117,118]和环境传感[119,120]等领域。另外,聚合物网络的水合作用使得水凝胶中的水分子存在不同的状态:自由水、中间水和结合水(如图8所示)[50,61,121⇓⇓~124]。自由水中水分子的行为与体相水中相同,呈现出很高的蒸发焓,而结合水和中间水由于与聚合物网络间具有强和弱的相互作用,从而表现出与体相水不一样的蒸发焓。水凝胶中的亲水聚合物链上的极性官能团可以通过氢键捕获水分子,该氢键比水分子之间的氢键强,从而生成结合水。结合水周围的水分子与少于四个的水分子相互作用,形成中间水。因此,与体相水相比,聚合物网络中的中间水需要更少的能量,就可以打破氢键并从液体表面逸出。由此可见,水凝胶中亲水聚合物分子网是能够有效降低水蒸发焓的,可以实现更快的水汽转换。(2)气凝胶:气凝胶是一种具有极高孔隙率(90%~99%)的超轻材料,

由于内部高度互联的纳米多孔结构使其具有超低的导热系数、折射率、介电常数、声速和超宽可调密度等[125,126]。具有光热转换能力的气凝胶可作为光热转层和隔热层,可直接应用于ISSG中。(3)其他三维材料:如三聚氰胺泡沫,其具有互联的三维网络、高孔隙结构和低热导率等特点,可促进水分子运输和提高热利用效率[43,51,127]。所以,也可以采用商业化的三聚氰胺等泡沫作基质,将各类光热材料涂覆于其表面从而实现ISSG的应用[40,127]。

2.2.1 水凝胶

自然界中树木孔道呈垂直结构,如图9a所示,这使其能够通过毛细作用力将水快速运输至高处的同时,也能保证蒸气的快速逸出。武培怡等[49]受此启发, 利用定向冷冻技术制备了具有垂直排列孔道的水凝胶(TIH),该水凝胶以聚乙烯醇(PVA)为水化骨架,二维Ti3C2-MXene纳米薄片为吸光材料。其制备方法如图9b所示,首先将Ti3C2-MXene纳米薄片分散在PVA溶液中,然后将混合液倒入聚四氟乙烯模具中,并将模具铺在部分浸在液氮浴中的铜缸上表面。由于温度梯度的存在,在冷冻过程中冰晶是垂直生长的。最后,将样品冷冻干燥,再在室温下去离子水中浸泡3 d以达到平衡膨胀状态,得到了具有水合作用的吸光水凝胶TIH。如图9c所示,由于PVA具有大量亲水性官能团羟基(—OH),因此,靠近PVA的水分子会以结合水的形式存在,远离PVA的水分子为自由水,其余的为中间水。中间水的比例越高,太阳能水汽转换的效果越好。得益于具有低蒸发焓的中间水、垂直排列的孔道和Ti3C2-MXene突出的光热转换能力,TIH在1 Sun光强照射下的最高水蒸发速率可达2.71 kg·m-2·h-1,光热水汽转换效率为90.7%。另外,为了验证TIH垂直孔道结构对水汽转换的影响以及对比Ti3C2-MXene和rGO的光热转换能力,他们通过随机冷冻制备了孔道随机分布的Ti3C2-MXene水凝胶(n-TIH)和TIH-rGO水凝胶。结果表明,TIHs-rGO的水蒸发速率为2.33 kg·m-2·h-1,n-TIH的水蒸发速率(2.42 kg·m-2·h-1)略高于TIHs-rGO,远低于孔道垂直排列的TIH水凝胶。而且TIH具有较好的脱盐和污水处理能力,如图9d,e所示,经过TIH水处理以后,海水的离子浓度降低了近3个数量级,亮蓝(brilliant,BB)和罗丹明B(rhodamine B,RhB)两种有机污染物分别在波长630和554 nm附近的强特征吸收峰消失。

2.2.2 气凝胶

陈硕等(如图10a所示)利用定向冷冻技术,构造了由Ti3C2-MXene纳米片垂直排列所构成的气凝胶[53]。首先将刻蚀好的Ti3C2-MXene分散液置于钛板为底的聚四氟乙烯模具中,并在液氮下冷冻。

在冷冻过程中,由于温度梯度冰晶会从钛板上自下而上进行生长,Ti3C2-MXene纳米片会在冰晶的界面发生一定程度的聚集。经过真空冷冻干燥去掉冰晶后,便形成VA-MXA气凝胶(Vertically aligned MXene aerogel)。

如图10b~e所示,所制备气凝胶的孔道是垂直结构的,且在一定浓度范围内孔径是基本均匀分布的。垂直的孔道有利于促进水运输,同时,也加快了孔道中盐结晶的溶解。然而,在实际应用中,经过一段时间的海水淡化后盐会结晶在气凝胶表面,影响水汽转换效率。因此,他们进一步将VA-MXA气凝胶置于环状海绵模具中,在真空条件下将海绵漂浮在氟烷基硅烷上,对VA-MXA气凝胶的一面进行疏水改性,构筑Janus结构的气凝胶,即上层疏水、下层亲水的Janus VA-MXA气凝胶。结果表明,Janu VA-MXA的盐阻隔能力大大上升,提高了其海水淡化时的寿命和稳定性。在1 Sun光强照射下,Janus VA-MXA可稳定工作15 d以上,并且水蒸发速率可达1.46 kg·m-2·h-1,光热水汽转换效率约为87%。

杨伟等(如图11b所示)使用乙二胺(EDA)作交联剂,将二维Ti3C2-MXene纳米薄片与少量的氧化石墨烯结合组装成具有高导电、吸光、低热导和亲水的三维多孔气凝胶(Crosslinked MXene Aerogels,CMA)[128]。这项研究的另外一个亮点在于引入了太阳能电池组件(SC-B),以实现全天候水汽转换(如图11a所示),其原理是利用CMA的光热和电热转换替代方法,持续产生蒸气。由于CMA具有优异的吸光性和导电性,所建ISSG材料体系不但可以在晴天将太阳光转换为热能用于水汽转换,而且可以在光弱或黑暗的情况下持续利用太阳能转换成的电力加热CMA实现水汽转换,避免了额外的电能输入。在CMA体系中巧妙引入SC-B,不但可以利用太阳能发电实现全天候的水汽转换,而且由于协同效应,提高了水汽转换的效率,这是因为:(1)输入的电能提高了样品的表面温度;(2)太阳光照降低了样品上方系统的湿度。协同效应促进了CMA中水汽的转换和蒸气的逸出,大大提高了水汽转换效率。在0.5 Sun光强照射下,设定2.5 V供应电压,CMA可得到的水蒸发速率为1.624 kg·m-2·h-1,这远高于1 Sun光强照射下纯CMA的水蒸发速率(1.337 kg·m-2·h-1)。另外,在0.5 Sun光强照射和5 V供应电压的组合下,CMA具有超过20个周期(1 h/周期)的稳定蒸发速率,对海水中四种主要离子(Na+、Mg2+、K+、Ca2+)的净化率超过99%(如图11c~h所示)。

王贤保等[129]报道了一款由GO辅助Ti3C2-MXene组装而成的三维多孔气凝胶(GMA),该气凝胶显示出非常高的光热转换能力和机械性能,可实现对含无机离子、有机染料、细菌和油类物质污染的废水的高效净化。其制备方法如图12a~d所示,首先将一定量的Ti3C2-MXene、GO纳米片和海藻酸钠(SA)混合,并利用定向冷冻技术冷冻铸造成型。在冷冻过程中,纳米片和SA分子会通过极性官能团间的π-π共轭和氢键自组装成冰晶界壁。然后为了提高材料的机械性能,采用阳离子交联,将冷冻成型的产物浸泡在Ca2+水溶液中,与藻酸盐链产生离子交联。在水环境中,不同聚合物链中的石墨烯(G块)可与多价阳离子产生离子交联,形成“蛋盒(Egg-box)”分子结构,在水中形成凝胶状网络。最后,经过冷冻干燥去掉冰晶便获得GMA。GO和聚合物SA链可作为结合“桥梁”,使Ti3C2-MXene纳米薄片更容易形成三维结构,再加上适当的化学交联,大大提高了材料的稳定性。无论是在高温(>60 ℃)、酸和碱环境下浸泡抑或是超声处理,GMA都能很好地保持自身结构的机械性能,因而可以适应实际应用时的各种环境。此外,GO/Ti3C2-MXene复合体系可实现协同自增强光热转换,这是因为Ti3C2-MXene具有一定的还原性,可将GO还原为rGO,rGO拥有优于GO的吸光和光热转换能力。得益于GO/Ti3C2- MXene复合体系的协同作用,在1 Sun光强照射下,GMA水蒸发速率为1.27 kg·m-2·h-1,光热水汽转换效率达到90.7%。并且如图13a~j所示,GMA可稳定工作超过30个周期(30 min/周期),对海水中5种离子(Na+、Mg2+、K+、Ca2+、B3+)和7种重金属离子(Mn6+、Cd2+、Pb2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Fe2+)的净化率高达99.9%。同时,GMA对乳液、大肠杆菌水溶液或湖水也显示出非常高的净化效率和稳定性。

2.2.3 其他

为了证明三维多孔材料比二维薄膜更适用于水汽转换,阙文修等[51]制备了一款以碳化的三聚氰胺泡沫为基质,以脱层d-Ti3C2作吸光材料的三维MXene ISSG材料(3D CMF@d-Ti3C2)。其制备方法如图14a所示,首先将三聚氰胺泡沫(MF)在800 ℃的氩气氛围下碳化1 h,得到碳化的三聚氰胺泡沫(CMF)。然后将HCl/LiF刻蚀法制备的脱层d-Ti3C2分散液滴在CMF表面,最后在60 ℃下真空干燥得到3D CMF@d-Ti3C2。

碳化以后的三聚氰胺泡沫可与脱层d-Ti3C2起到协同增强光吸收的效果,有利于水汽转换。另外,如图14b所示,为了降低高温区向水体的热传导,在3D CMF@d-Ti3C2下方引入聚苯乙烯泡沫,并以无纺布作水运输介质。结果表明,在1 Sun光强照射下,3D CMF@d-Ti3C2水蒸发速率达到1.60 kg·m-2·h-1,光热水汽转换效率为84.6%。而通过流动相过滤器将脱层d-Ti3C2分散液抽滤沉积在混合纤维素酯有机滤膜上所构成的二维MXene薄膜的水蒸发速率仅为1.41 kg·m-2·h-1,光热水汽转换效率不足70%(如图14c,d所示)。MF虽然具有互联的三维网络、高孔隙结构和低热导率等特点,但将吸光材料涂覆于MF上时,不可避免地会发生吸光材料的脱落。为了解决这个问题,杨伟等[130]研发了一款具有稳定三维MXene结构的ISSG材料(3DMAs)。其制备方法如图15a,b所示,首先将一块具有特定形状和大小的MF基体框架浸没在PVA溶液中,真空干燥后获得MF/PVA复合泡沫,然后将复合泡沫浸没于Ti3C2-MXene分散液中,再在70 ℃下真空烘干一夜便获得3DMAs。PVA的主要作用是提高Ti3C2-MXene纳米薄片与三聚氰胺泡沫基体框架之间的附着力,在没有PVA的作用下,Ti3C2-MXene无法稳定地黏附在三聚氰胺泡沫上。而在有PVA存在时,即使3DMAs在水中超声处理5 min后也没有明显的Ti3C2-MXene脱落。另外,如图15c所示,为了提高水汽转换效率,将发泡聚乙烯泡沫(EPE)嵌入3DMAs底部,这种结构兼具了热阻隔和水运输的性能。结果表明,3DMAs在波长300~1500 nm范围内显示出非常高的光吸收效率,约为98%,使得其在1 Sun光强照射下,无EPE时水蒸发速率可达1.309 kg·m-2·h-1,光热水汽转换效率为82.4%。嵌入了EPE以后,3DMAs的水蒸发速率升至1.409 kg·m-2·h-1,光热水汽转换效率为88.7%。如图15d~g所示,3DMAs对海水中4种主要离子(Na+、Mg2+、K+、Ca2+)的净化率超过99.7%,对甲基蓝和甲基橙溶液的净化率接近100%。

2.3 生物基或仿生MXene复合材料

由于环境污染的压力和可持续发展的需求,使用绿色环保、可再生、可降解的生物基材料取代不可降解的化石基材料正在成为一种大趋势。然而,即使自然界中存在许多能够利用自身特殊的生物结构促进光吸收或水运输效率的生物,但并非所有的生物基材料都可直接应用在ISSG中,如树叶的蒸腾作用以及西非加蓬蝰蛇黑色鳞片的多层分级结构等。不过可以通过模仿生物基材料的特殊结构以提高ISSG材料的太阳能水汽转换效率。因此,近年来,生物基或仿生MXene复合材料也成为该领域的研究热点。尽管生物基或仿生MXene复合材料在光热转换应用中也是以二维薄膜或三维复合材料的形式展现,但是由于生物基或仿生MXene复合材料的巨大潜力,本文将生物基或仿生MXene复合材料单独作为一个章节进行讨论。应用于光热转换的生物基-MXene复合材料利用生物基材料的特殊结构,将生物基材料与具有较好光热转换性能的材料进行结合,可以起到提高光热转换或水运输效率的作用,如将PPy、贵金属纳米颗粒或GO等涂覆于具有垂直排列孔道的圆木片上[131⇓⇓~134]。受生物基材料独特的结构和性质的启发,具有仿生结构的MXene复合材料在ISSG领域也表现出了优异的性能。自然界中存在许多能增强自身光吸收或水运输效率的生物基材料,通过模仿生物基材料的结构能有效提高太阳能水汽转换效率。

2.3.1 圆木片生物基复合材料

圆木片由原木加工而来,具有与树木一样的垂直排列孔道,因此其常被用作三维ISSG材料的基体框架。然而,将吸光材料涂覆于圆木片上时,不可避免地会发生吸光材料的脱落,即使使用光热转换效率极高的吸光材料,能量损失仍会很大。因此,如图16a所示,孙俊良等将Ti3C2-MXene羟基化成Ti3C2-OH,并引入小分子结合剂异氰酸酯,成功制备了一款同时具有高光热水汽转换效率和高稳定性的三维生物基ISSG材料Ti3C2-Wood[135]。羟基化Ti3C2-MXene不仅可以提升材料的紫外/可见光吸收能力(Ti3C2-OH对紫外/可见光谱的有效光吸收率可达95%),还有利于增强Ti3C2-MXene与木材间的作用。另外,在紫外光照射下,引入小分子结合剂异氰酸酯可引发缩合反应,使木材与Ti3C2-MXene之间形成共价键而稳固地交联在一起。为了测试Ti3C2-Wood的使用稳定性,将Ti3C2-Wood置于50 ℃的太平洋水中浸泡8周。结果如图16b,c所示,经过长时间的浸泡后Ti3C2-Wood的储能模量(E')仍高于普通的木材,这证明交联处理后Ti3C2-Wood的稳定性大大上升。得益于Ti3C2-MXene的强光热转换能力、木材的分级多孔结构和低热导率(润湿状态下热导率仅为0.082 W·m-1·K-1)的协同效应,在1 Sun光强照射下,Ti3C2-Wood的水蒸发速率达到1.465 kg·m-2·h-1,光热水汽转换效率高达96%。

2.3.2 仿生复合材料

Chen等模拟西非加蓬蝰蛇黑色鳞片的多层分级结构,如图17a~e所示,筑造了一款仿生MXene纳米涂层的ISSG材料[136]。其制备过程如下:首先将低热导率基质PS薄膜进行氧等离子体预处理(增加基质薄膜与二维光热材料间的亲水性相互作用和氢键),并滴涂试剂Ti3C2-MXene分散液在PS薄膜上。然后通过连续热驱动,进行第一次热变形(记为G1),将平面纳米涂层变形为各向同性的弯曲结构,模拟毒蛇黑色鳞片的微冠结构。热变形可以进行多次,以获得光吸收效率更高的仿生纳米涂层G2和G3。如图17f所示,由于入射光在仿生MXene纳米涂层中具有强烈的散射和多次反射作用,大大提高了材料的光吸收和光热转换效率,使得仿生MXene纳米涂层在光谱300~2500 nm波长范围内的宽带光吸收率高达93.2%。另外,由于热收缩,PS层变厚,G1可直接作为支撑基板和热绝缘体。为了提高水运输效率,如图17g所示,在Ti3C2-MXene/PS双层材料中钻取了两个小水道(直径≈1.5 mm),水道与水道的间距约为1.5 cm。然后用注射器将GO分散液注入水道,在常温下风干后,水道的圆柱形表面上就形成GO涂层。结果表明,仿生MXene纳米涂层在1 Sun光强照射下水蒸发速率为1.33 kg·m-2·h-1,光热水汽转换效率可达86.7%。

太阳光入射角度是不断变化的,变化的入射光角度不利于光吸收层的照明面积和光热转换效率的稳定,影响水汽转换效率。为此,如图18a所示,杨小飞等[137]受到树木通过根部运输水至高处和叶片的蒸腾作用产生水蒸气的启发,仿生制备了一款几乎不受太阳光线入射角度影响的ISSG材料。该材料体系结构呈三维的球形结构,外层是以Co3O4/Ti3C2-MXene复合材料为光热材料所构筑的光吸收层,内部引入球形PS泡沫以保证漂浮结构和降低高温层向水体的热传导所造成的能量损失。

另外,为了保障水运输,球形PS泡沫上包覆了棉花,并模仿树木根部的结构将棉花尾部浸没于水体中。Ti3C2-MXene在与水和溶解氧接触时很容易变质,影响材料的稳定性,不过其表面上有丰富的活性位点,可以作为金属氧化物纳米颗粒原位生长的良好平台。如图18b所示,在氮气保护下引入Co2+,并通过水热法处理获得Co3O4/Ti3C2-MXene复合材料。Co3O4与Ti3C2-MXene复合可以有效地阻止Ti3C2-MXene中的Ti与水和氧气接触,从而避免了Ti3C2-MXene的分解。而且纳米粒子和二维纳米片结合的异质结构可以促进入射光的光扰动,协同增强太阳光吸收。同时,金属氧化物/MXene复合材料对有机污染物的降解也具有良好的光催化活性。所以相比纯Ti3C2-MXene,Co3O4/Ti3C2-MXene复合材料的化学稳定性、光热转换和光催化降解性能均有提高。然后利用喷涂的方法将Co3O4/Ti3C2-MXene复合材料喷涂在无纺布上,经过真空干燥后便可获得Co3O4/Ti3C2-MXene光吸收层。

与二维光热结构相比,三维球形结构可以从环境中获取能量,增加蒸发面积,在太阳能水汽转换方面表现突出。这是因为当太阳光照射时,接收光线的蒸发表面的温度比周围环境的温度要高,会造成能量损失。但同时由于蒸发的冷却作用,不受光照的表面温度低于周围环境的温度。这种由蒸发冷却效应产生的温度梯度使蒸发表面具有从环境中获取能量的能力,补偿高温区的热辐射和热转换能量损失,从而提高了水汽转换效率。如图18c,d所示,在1 Sun光强照射下,该三维球形材料体系水蒸发速率高达1.89 kg·m-2·h-1,光热水汽转换效率为130.4%,而二维光热结构的光热水汽转换效率仅为75.1%。更重要的是,该材料体系的水汽转换效率与太阳光入射角度几乎无关,不同的光入射角度水汽转换效率基本保持不变。如图18e~h所示,该三维球形材料体系可稳定工作10 h以上,对不同盐度的人工海水、重金属离子以及甲基橙甲基蓝等污染物均显示出非常高的净化效率。

3 发展前景和挑战

随着工业化和城市化的发展,淡水资源紧缺的问题日益严重,已成为限制区域发展的重要因素之一。南水北调作为国家战略性工程,是我国也是迄今世界上最大的水利工程,总投资额超过5000亿元,惠及人口达4.38亿,其主要目的是解决我国北方地区的淡水资源匮乏的问题。世界上众多国家和地区都不同程度面临着水资源匮乏的问题,太阳能界面水汽转换(Interfacial Solar Steam Generation, ISSG)技术提供了一种可持续、高效、低成本海水淡化和污水处理的方法。Ti3C2-MXene作为一种新兴的二维纳米材料,由于其突出的光热转换效应,在ISSG领域具有巨大的应用潜力,近年来受到了极大的关注,也取得了许多非常具有启发性的成果。然而Ti3C2-MXene在ISSG领域仍面临着一些挑战。

(1)Ti3C2-MXene二维薄膜通常机械性能有限[54,104,109],这大大限制了Ti3C2-MXene二维薄膜的应用范围,如进行仿生结构的变形。目前,Ti3C2-MXene的二维薄膜通常是在基质薄膜(纤维素薄膜或PVDF薄膜等商用薄膜)上通过浸涂烘干法或过滤法制备的复合膜,由于商用的基质薄膜机械性能有限,致使Ti3C2-MXene复合薄膜的机械性能也会受限。Ti3C2-MXene表面丰富的化学基团(—O、—F、—OH等基团),通过Ti3C2-MXene与其他基体材料之间的物理或化学共价键相互作用,可构筑结构稳定性高、力学性能好的Ti3C2-MXene复合膜材料[138,139]。

(2)Ti3C2-Mxene稳定性差,容易被氧化[140,141]。水是极性溶液,可以溶解大量的氧气。刻蚀制备Ti3C2-Mxene分散液后,当水和溶解氧存在时,氧气将作为氧化剂与Ti3C2-Mxene发生化学反应消耗Ti和C生成CO2和锐钛酶(TiO2)。反应速度与环境温度和Ti3C2-MXene自身的尺寸相关,环境温度越高,反应速度越快,尺寸越小越不稳定。这表明水溶液不是储存Ti3C2-Mxene的良好介质。相较而言,粉末状Ti3C2-Mxene及其复合材料在常温及空气或惰性气体条件下是稳定的,只有在高温环境才会发生化学反应。因此,在制备Ti3C2-MXene复合材料的过程中,可以通过注入惰性气体(如Ar气)去除水中的溶解氧或降低温度来减缓Ti3C2-MXene被氧化的速度,提高材料稳定性。

(3)制备ISSG材料的过程中,由于Ti3C2-MXene固有的高表面能和界面的范德华力作用,刻蚀脱层的Ti3C2-MXene纳米片不可避免地会发生不可逆的重新堆积[142,143]。当脱层的Ti3C2-MXene重新堆积时,材料的比表面积会下降,导致材料的吸光性能受限,而且这也不利于水的运输。构筑三维宏观结构的MXene材料是解决该问题的可行方案之一,如王贤保等[129]利用GO辅助Ti3C2-MXene组装成三维多孔气凝胶,GO将Ti3C2-MXene胶凝起来的同时,也将脱层的Ti3C2-MXene间隔离开来,阻止了它们的重新堆积。但GO与Ti3C2-MXene一样,价格相对较贵。

(4)Ti3C2-MXene遇水时会在水中会膨胀,膨胀后Ti3C2-MXene的层间距不可避免地会增大,这大大弱化了其阻隔离子透过和盐阻隔的能力,损害材料的去离子性能[144,145]。通过对ISSG材料的改性,使Ti3C2-MXene的层间距得到控制,将是解决该问题的有效途径之一。

(5)Ti3C2-MXene水凝胶的中间水含量有待提高[49,50,61],如何有效地提高Ti3C2-MXene水凝胶的中间水含量也是一个挑战。目前而言,由于水凝胶中的亲水聚合物分子网能水合生成具有低蒸发焓的中间水,可以实现更快的水汽转换,因此水凝胶是实现水汽转换最有效的方式。水凝胶中间水的含量可通过功能性添加剂、交联密度、聚合物或单体官能团等因素进行高度调节,其中,羟基(—OH)、氨基(—NH2)、羧酸(—COOH)和磺酸(—SO3H)等亲水性官能团表现出突出的捕获水分子的能力。

(6)尽管刻蚀制备Ti3C2-MXene的方法很多,但目前Ti3C2-MXene主要在实验室规模生产,还没有实现量产,再加上Ti3C2-MXene的制备成本高,这些局限无疑阻碍了Ti3C2-MXene制备的ISSG材料商业化[146,147]。在保证水汽转换效率的前提下,通过与其他基体材料结合,制备Ti3C2-MXene复合材料,减少Ti3C2-MXene的用量,是降低材料成本的重要途径之一。其中,构筑高性能的生物基Ti3C2-MXene复合材料,不但可以降低Ti3C2-MXene的用量和成本,而且赋予了Ti3C2-MXene复合材料可持续发展和生物可降解的优点。

4 结论及展望

太阳能界面水汽转换技术作为一种新兴的海水淡化和污水处理方法,利用分布广泛、清洁的太阳能作为能源,通过光吸收材料的光热转换,将太阳能转换来的热限制在水界面,大大减少了热的散射,显著提高了光热水汽转换的效率。ISSG技术是一种低成本、高效、清洁的海水淡化和污水处理方法,有望缓解淡水资源短缺的压力,因此近年来受到科研界和工业界的广泛关注。其中,光热材料体系的设计和构筑是ISSG技术的核心和关键,目前已经发展出基于金属纳米粒子、氧化石墨烯、导电聚合物和Ti3C2-MXene的二维薄膜或三维复合材料。相比其他光热转换材料,Ti3C2-MXene具有类似石墨烯的二维纳米片装结构,而且具有光热转换效率高、导电性能好、表面易改性等优异物化性能,其在ISSG领域具有较高的应用前景。目前已经开发出多种MXene复合材料应用于ISSG,包括二维MXene复合膜、三维MXene气凝胶和水凝胶、生物基MXene复合材料以及仿生MXene复合材料等,Ti3C2-MXene复合材料是目前报道的光热水汽转换效率最高的材料之一。但是Ti3C2-MXene材料应用于ISSG领域仍有非常大的发展空间,如可利用Ti3C2-MXene材料的丰富表面化学特性进行化学改性,解决稳定性差、中间水含量需进一步提升以及易团聚等问题,或结合生物基材料以应对成本高的限制,最终实现Ti3C2-MXene材料在ISSG领域的商业化。

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基金资助

广东省自然科学基金-面上项目(1914050005542)

广东省科学技术厅-海外名师项目(191900014)

教育部“长江学者和创新团队发展计划”(IRT_17R40)

广州市科技计划(2019050001)

广东省光信息材料与技术重点实验室(2017B030301007)

云南院士专家工作站和闪思科技ScienceK资助

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