CEJ | 海绵状抗污染MXene/Ag2S/醋酸纤维素膜用于可持续的太阳能驱动的界面蒸发和水体净化

研究背景

随着当今社会人口的快速增长和工业化，淡水短缺日益严重。海水淡化已成为生产淡水的有效途径，其中蒸馏、多级、反渗透等许多技术已被提出。然而，化石能源的高消耗、复杂的操作过程和有机污染物的积累限制了其实际应用。太阳能作为一种可再生且丰富的能源，被认为是化石能源的取之不尽、环保责任性和可持续的替代能源。太阳能驱动的界面蒸发（SIE）技术可以将太阳能转化为热能。与传统的体加热方法不同，SIE技术中的热能可定位在界面蒸发器的表面进行海水蒸发，产生淡水的同时减少热损失 ，提高光热转换效率。SIE因其环保、节能、可再生的特性被视为一种颇具前景的海水淡化技术。一般来说，一个优秀的SIE通常需要满足三个要求：光吸收性强、水转换速度快和热管理良好。因此，光热转化材料的多孔结构十分必要，它可以为快速的水输送和蒸汽逃逸提供更多的通道。然而，由于工业废水的排放，海水中存在大量的有机污染物在SIE过程中会被界面蒸发器吸收。一方面，有机污染物的迁移和积累会阻碍其孔隙结构界面蒸发器和限制水的输送，使得其在实际应用中难以保持高效和长期的稳 定性。另一方面，有机污染也在界面蒸发过程中造成第二次污染。因此，设计一种具有抗污染自洁的稳定界面蒸发器对于实现稳定的太阳能驱动海水淡化和水净化具有重要意义。

MXene是二维钛碳化物或氮化物族，由于其广泛的太阳吸收带和亲水的二维通道而引起了人们的广泛关注。MXene具有独特金属性质，可导致局部表面等离子体共振效应（LSPR），有利于光热转换和光活性，其光热转换效率可达到近100 %，被认为是一种潜在的理想光热转换材料。硫化银(Ag 2S)由于其优异的光热性能和狭窄的带隙（0.9 eV），被广泛应用于光热治疗、光动力学和光催化等领域。目前，一些研究人员已经复合了硫化银和MXene，获得了具有光热和光催化性能的复合材料。然而，对MXene和硫化银复合材料的光热蒸发和光降解性能的研究仍然较少。因此，设计一种基于MXene和硫化银材料的具有优异太阳能驱动淡水生产能力和去污能力的太阳能驱动界面蒸发器是很重要的。

在此，天津大学黄鑫教授课题组团队用一种由 Ag2S掺杂MXene纳米片(MT-Ag2S/CAM)组成的海绵状抗污染的醋酸纤维素膜进行可持续性海水淡化。MT-Ag2S/CAM的超低水蒸发焓为1.50 kJ g− 1 ，与此同时，MT-Ag2S/CAM具有高孔隙率（75.25 %）、优异的光吸收和耐盐性，其显著的太阳驱动蒸发速率高达1.8 kg m− 2 h− 1 在单次日照下的光热转换效率为91.6 %。同时，MT-Ag2S/ CAM对亚甲基蓝的去除效率为93.3 %，因其较强的机械性能具备了优异的抗污染和自清洗性能以及长期的稳定性。最后，在使用SIE过程中，设计并实现了一种可持续的海水淡化、水净化和清洁水收集装置。

相关成果以“Spongy and anti-pollution MXene/Ag2S/cellulose acetate membrane for sustainable solar-driven interfacSial evaporation and water purification” 为题发表在化工领域国际期刊《Chemical Engineering Journal》（IF=15.1，JCR一区，中科院工程技术1区Top）上

研究内容

在这项研究中，合成了一种由Ag 2 S掺杂MXen纳米片(MT-Ag 2 S/CAM)合成的海绵状醋酸纤维素膜具有良好的光热和光催化效应，用于可持续的海水淡化和水净化。 用Ag 2 S掺杂的MXene纳米片(MT-Ag 2 S)通过将硫化银掺杂到煅烧的 MXene上，然后与纤维素组装形成海绵光热膜。 MT-Ag 2 S/CAM水蒸发焓低达1.50 kJ g−1 .此外，海绵状MT-Ag 2 S/CAM具有丰富的孔隙结构和较强的光吸收能力，表现出良好的水管理和光热转化性能。 MT-Ag 2 S/CAM具有较高的水蒸发率(1.80 kg m − 2 h − 1 )和单次太阳照射下的光热转换效率（91.6 %）。 此外，还提高了MT-Ag 2 S/CAM的去除效率，亚甲基蓝的S/CAM含量达到93.3 %，表明其具有良好的抗污染和自清洗性能。 结合其较强的力学性能，我们假设MT-Ag 2 S/CAM界面蒸发器具有良好的长期稳定性。 最后，在实际的SIE过程中，设计并实现了一种可持续的海水淡化、水净化和清洁水收集装置。

研究数据

图 1. MT-Ag2S/CAM的制备工艺。

图 2. （a） MXene和MT的XRD图谱。（b）Ag2S、MT-Ag2S和MXene-Ag2S的XRD图谱。

图3 .（a、b）MT-Ag2S的SEM和TEM图像。（c）MT-Ag2S的SEM图像。（d、e）MT-Ag2S/CAM的表面和对应的EDS映射图像。（f、g、h）MT-Ag2S/CAM的截面图及其EDS映射图。

图4.（a）MT-Ag2S/CAM的汞注入和去除曲线和（b）孔径分布（c）MT/CAM的汞注入和去除曲线和（d）孔径分布。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151441