SPT|用于低成本MXene合成的回收材料的利用和用于增强水脱盐性能的石墨/MXene复合材料的制备

研究背景

水资源短缺是一个日益严重的全球性问题，人口增长、工业化和气候变化加剧了这一问题。海水淡化是一系列旨在净化海水或微咸水中的盐和其他杂质并提供淡水的技术。今天，这种方法作为水资源短缺的潜在解决方案已经受到了极大的关注，其中热和膜基工艺显示出高可靠性。然而，传统的海水淡化方法通常依赖于能源密集型工艺和不可再生材料，这会导致环境退化和高昂的运营成本。因此，迫切需要提供卓越性能的新型材料，以克服当前中等通量和结垢的挑战。MXenes是一种二维（2D）现代材料，用于通过改善太阳能吸收，热传递，水传输和盐排斥来增强热脱盐。这些材料被发现是可持续的，高效的，环保的。因此，上述特性使MXene基复合材料成为推进海水淡化技术和可持续有效地解决水资源短缺挑战的有希望的候选材料。MXene通常是过渡金属碳化物和氮化物的复合物，其中它们由MAX相制成。在这里，寻找MXene与其他材料协同作用的方法或从回收材料中制备它们代表了传统MXene生产方法的可持续替代方案。近年来，已经广泛探索了从各种废物资源如废轮胎、工业废气、炼油工业的石油焦、棉絮、椰子壳和茶叶等中提取碳以合成MAX相。通过重新利用和回收这些材料，研究人员的目标是减少浪费，能源消耗和环境影响，同时生产具有前景的先进材料。此外，石墨/MXene复合材料等复合材料的制造为提高脱盐技术的性能提供了机会。值得一提的是，石墨是一种天然存在的碳形式，具有优异的导热性和电气性能;这些优点在太阳能海水淡化系统中是理想的，这种材料是提高这些系统效率的合适候选者。将石墨与MXenes相结合，可以开发出能够有效吸收太阳能、增强水分蒸发和提高脱盐率的材料。最终，实现更可持续和更具成本效益的海水淡化工艺。

相关成果以“Utilization of recycled materials for low-cost MXene synthesis and fabrication of graphite/MXene composite for enhanced water desalination performance”为题发表在国际知名期刊《Separation and Purification Technology》（IF=9.136，JCR一区，中科院一区TOP) 上发表。

研究结论

该研究使用回收的前体成功地合成了高质量的MXene，得到了高产率和适中的比表面积以及稳健的机械性能和吸收性能。本研究的主要目的是调查如何将废弃材料用作低成本MXene生产的可持续来源，从而减少日常活动中产生的废物。此外，通过开发高效太阳能蒸发发生器，对MXene用于脱盐的潜力进行了研究。合成的MXene@GF复合材料显示出相当大的比表面积和优异的太阳辐射吸收效率，这是脱盐所需的。MXene@GF复合材料表现出令人印象深刻的太阳能蒸汽产生率为3 kg m− 2 h −1，能量效率高达96.03%。在太阳能水净化系统中，其每天能够产生15-18 L/m2。除水净化外，MXene@GF复合材料在吸湿、环境冷却和污染吸收方面具有潜在应用。该研究为MXene的利用开辟了新的途径，并突出了其在各种工业和环境应用中的潜力。用于脱盐目的的MXene@GF复合材料的开发证明了其在太阳能蒸发方面的优异性能，使其成为解决水资源短缺挑战的有希望的候选材料。

研究数据

图1.（a）AC、（B）高倍放大的AC、（c）回收的铝和（d）热处理前（球磨后）的混合前体的SEM图像。Ti3AlC2 MAX相的SEM图像经历了不同的加热条件：（e）1280 ℃，（f）1300 ℃和（g）1320 ℃。通过将MAX相蚀刻（h）16小时和（i）20小时获得的MXene的SEM图像。从SEM图像中可以看到MXene中的分层结构。

图2.（a-d）MAX相（C1 s，Ti 2 p，O 1 s和Al 2 p元素）和（e-h）MXene（C1 s，Ti 2 p，O 1 s和F1 s元素）的XPS谱的高分辨率。

图3.(a)不同材料的FTIR光谱，以显示化学成分。(b)UV-Vis光谱显示了合成材料的吸收。(c)TGA来确定合成的复合材料的分解温度。(d)不同材料的热导率。

图4.(a-b)SEM图像和（c）MXene@GF复合材料在酸、碱和高浓度盐中浸泡后的XRD谱图，以显示材料的耐久性。

图5.(a)使用不同材料时水的质量损失（B）使用不同制造方法时复合材料的质量损失。(c)（d）不同材料在使用不同太阳辐照水平时的质量损失随温度升高的趋势。(e)采用不同方法测定复合材料的质量损失。(f)表层水温和深水水温之间的差异。(g)纳米材料在酸、碱和高浓度盐中浸泡后的脱盐性能，以证明MXene@GF材料的真实耐久性。(h)MXene@GF复合材料的长期蒸发性能图。

图6.(a-c)NaCl去除效率，（d-f）实验的热图像，（g）实验过程中太阳辐射的一致性，和（h）各种厚度的效率。

图7.(a)海水淡化前后样品中四种主要离子的浓度，（B）海水、淡化水和去离子水的pH值和盐度值，（c）三种样品的TDS，以及（d）不同水样的电导率。

图8.(a-b)使用可持续方面的不同材料的太阳能驱动的水蒸发率的比较。太阳能在海水淡化中应用。

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129055

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！