文献前沿 | 武汉理工谢毅教授团队CEJ：高光热转换超湿MAX@SiO2涂层用于高效海水淡化和防/除冰

全文速览

清洁水资源短缺已成为全球最紧迫的问题之一。为解决水资源短缺问题，太阳能蒸汽发电作为一种从海水或废水中获取清洁水的可持续技术正在兴起。Mxene基纳米材料具有优异的光电性能和局域表面等离子体共振（LSPR）性能，是一种很有前途的光热材料，在太阳能驱动水蒸发方面得到了广泛的应用。但相对具有成本效益的MAX材料（通常用作母体化合物来合成MXenes）的研究却较少。尽管研究者利用Ti3AlC2- MAX高效的光收集能力和优异的导电性制备增强光催化性能的MAX基复合材料进行了一些探索。然而，基于MAX的光热转换性能却很少有报道。为此，武汉理工大学谢毅研究团队首次将层状MAX（例如Ti3AlC2，Ti3AlCN, Ti2AlC, Ti2AlN）开发成新型光热二氧化硅NPs沉积MAX（表示为MAX@SiO2）复合材料用于高效太阳能海水淡化和防/除冰涂层。其中，MAX作为光热材料捕获光并产生热量，而SiO2层作为隔热层以减少热损失。

研究团队采用了多孔的三聚氰胺泡沫（MF）作为基底。通过浸涂和干燥的方式将甲基修饰的MAX@SiO2复合材料引入MF的一侧，另一侧则浸涂羟基修饰的MAX@SiO2复合材料。这种独特的梯度结构设计使得蒸发器的顶部具有超疏水性，而底部则具有超亲水性，从而促进了水分子从底部向顶部加热区域的快速传输。这种设计不仅提高了水蒸发效率，还使得蒸发器能够自浮在水面上，减少了热损失。在模拟太阳光照射下，MAX@SiO2涂层的MF表现出了卓越的光热转换性能。研究显示，在1.0太阳辐射下，其水蒸发率可达约2.19 kg m−2 h−1，光热水蒸发效率高达91.2%。这一效率的实现，得益于MAX材料的强光吸收能力和复合材料的热绝缘性能。此外，研究团队还通过在载玻片和绝缘子上依次喷涂树脂基底漆和MAX@SiO2面漆涂料，制备出了具有超疏水性的光热涂层。这些涂层在防冰和除冰测试中表现出了优异的性能，展示了其在极端环境下的应用潜力。为了评估这些新型光热材料的实际应用潜力，研究团队还对涂层的机械和化学稳定性进行了测试。结果显示，MAX@SiO2涂层在经过多次砂纸磨损和不同环境条件下仍能保持其超疏水性能和光热转换性能。这一发现表明，这些材料不仅在实验室条件下表现出色，而且在实际应用中也具有很高的耐用性和可靠性。研究团队认为，这些材料的制备方法简单、成本低廉，且具有可扩展性，为太阳能淡水生成、废水处理和抗冰/除冰提供了一种有前景的解决方案。

相应的成果以“Superwetting MAX@SiO2coatings with high photothermal conversion performances for efficient seawater desalination and anti-/de-icing”为题发表在Chemical Engineering Journal 上，文章的通讯作者为谢毅教授。

图文解析

图1.梯度润湿性光热太阳能蒸发器及防/除冰SH光热涂层制备示意图。

图2. 梯度结构 Ti3AlC2@SiO2 蒸发器的未涂层三聚氰胺泡沫 (a-b)、超亲水 (SHI) 侧 (c-d) 和超疏水 (SH) 侧 (e-g) 的低倍 (a、c、e) 和高倍 (b、d、f-g) FESEM 图像。(i-l) 梯度结构 Ti3AlC2@SiO2 蒸发器的各层不同润湿性能的数码照片。水滴在表面上以显示润湿性。面板 (i-k) 中的插图显示相应层的水接触角图像。

图3. （a）水的质量减少，和（b）分别使用超疏水（SH）、超亲水（SHI）、Janus 和梯度蒸发器在1.0 太阳照射下模拟海水的蒸发速率。（c）代表性蒸发器的表面时间-温度曲线。（d-f）SHI（d）、SH（e）和梯度（f）蒸发器在1.0 太阳照射下不同时间的热图像。（g）梯度润湿性蒸发器增强海水淡化光热转换效率的机理示意图。

图4. (a) Ti3AlCN-MAX、Ti2AlC-MAX 和 Ti2AlN-MAX 及其相应的 MAX@SiO2 复合材料的 UV-Vis-NIR 漫反射光谱。(b) 具有梯度结构的各种 MAX@SiO2 掺入 MF 的数码照片，以及表面上亚甲蓝染色的水滴。(c)干燥状态下的Ti3AlCN@SiO2、Ti2AlC@SiO2 和 Ti2AlN@SiO2 装饰 MF 的红外照片，显示在 1.0 太阳辐射下 30 秒内的表面温度变化。(d) 在规定的各种 MAX@SiO2 掺入 MF 存在下，在 1.0 太阳辐射下模拟海水的水质量减少。(e) 相应蒸发器的蒸发速率。

图5.不同涂层的光热防冰性能。 （a）SH Ti3AlC2@SiO2 涂层的表面时间-温度曲线，其中 Ti3AlC2@SiO2 复合材料是在不同量的 Ti3AlC2 存在下合成的。（b）无光照时各种涂层的冻结时间。（c）不同太阳能强度下 -20 ◦C 时各种涂层的冻结时间。（d）0.3 太阳照射下不同温度下各种涂层的冻结时间。（e）无光照时 -35 ◦C 时分别显示纯 SH SiO2 和 SH Ti3AlC2@SiO2 表面上 MB 染色水滴结冰过程的照片。（f）1.0 太阳照射下 -35 ◦C 时纯 SH SiO2 涂层和 SH Ti3AlC2@SiO2 涂层上的水滴冻结过程中的照片。

图5. 纯 SH SiO2 和光热 SH Ti3AlC2@SiO2 涂层在 1.0 光照下的光热除冰性能。 (a) 显示倾斜 (θ = 30◦) 纯 SH SiO2 涂层 ( 右 ) 和光热 SH Ti3AlC2@SiO2 涂层 ( 左 ) 上冰融化过程的数码照片。 (b-c) 倾斜纯 SH SiO2 和光热 SH Ti3AlC2@SiO2 涂层 (θ = 30◦) 上冷冻液滴除冰过程的红外热图像。

总结与展望

在该研究中，作者将MAX（例如Ti3AlC2， Ti3AlCN, Ti2AlC, Ti2AlN）开发成新型光热MAX@SiO2复合材料和涂层，用于有效的海水淡化和防/除冰，结合其覆盖UV-Vis-NIR区域的强大光学吸收能力和独特的表面润湿性。在具有梯度润湿性的蒸发器中，顶部SH层作为加热层，下方亲水层结构作为有效的泵送通道，将水输送到加热区(即SH和疏水层之间的界面)。利用这些优点，该研究提出的Ti3AlC2@SiO2-based蒸发器在1.0光照条件下的水蒸发速率为~2.19 kg m−2 h−1，光热水蒸发效率为91.2%，优于以往报道的大多数太阳能蒸发。

除了高效的海水淡化性能， MAX@SiO2 涂层还展现出了优异的抗冰和除冰性能。通过树脂基底漆和 MAX@SiO2 面漆的依次喷涂，制备出了具有优异防冰和除冰性能的 SH 光热涂层。 0.8 太阳和 −20◦C 条件下，具有代表性的光热 Ti3AlC2@SiO2 涂层的冻结时间可延迟至 670 s ，是纯 SH 涂层 （ 305 s ） 的 2 倍以上，值得注意的是，在 −20◦C 1.0 太阳条件下，光热 SH 涂层上的水滴即使在 2400 s 后也不能冻结。在实际应用中，采用 SH 光热涂层沉积的电绝缘子可以显著减少成冰质量，有利于去除成冰。本文所述的工艺为制备具有独特结构和强光热转换能力的新型超润湿光热材料提供了一种方便和经济的策略，有望进一步应用于太阳能淡水发电、污水净化和防/除冰。

文献信息

Zhang H, Qiu C, Zhang R, et al. Superwetting MAX@ SiO2 coatings with high photothermal conversion performances for efficient seawater desalination and anti-/de-icing[J]. Chemical Engineering Journal, 2024: 153707.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153707

声明

本文仅用于学术分享，如有侵权，请系后台小编删除