海水淡化材料丨青岛大学王天、孟丽、徐洪星Nano-Micro Letters：基于MXene沉积物垂直通道PVA/海藻酸钠气凝胶高效太阳能蒸发器

2024年，国际期刊《Nano-Micro Letters》在线发表了题为“基于MXene沉积物的聚乙烯醇/海藻酸钠气凝胶蒸发器(配备垂直排列通道)用于高效太阳能制水蒸气”的研究论文。本文利用MXene制备产生的废弃MXene沉积物(MS)作为光热原料，通过定向冷冻法构筑具有垂直排列通道的三维PVA/海藻酸钠/MXene沉积物（PSMS）气凝胶蒸发器，结合棉签一维输水通道与聚丙烯浮体构建自浮式蒸发‑冷凝集水装置，实现高蒸发速率、优异耐盐、耐油、抗菌的太阳能海水淡化。《Nano-Micro Letters》是Springer旗下高水平期刊，属于材料领域中科院1区TOP期刊，聚焦纳米与微米尺度功能材料，报道能源、环境等方向创新研究成果。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-024-01433-1

第一作者：王天、孟丽、徐洪星

通讯作者：宋振华、吴晓虎、王丽丽、张贤生

通讯单位：青岛大学；山东省先进科技研究院；青岛科技大学

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太阳能驱动界面蒸发技术是缓解淡水危机的绿色技术，但是开发兼具高效率、高稳定性与强耐盐性蒸发器仍然面临挑战。MXene拥有接近100%光热转换效率，但是单层MXene制备产率低，会产生大量被当作废弃物的MXene沉积物（MS）。本文选用MXene沉积物作为光热组分，通过定向冷冻法制备具有垂直排列孔隙的三维聚乙烯醇/海藻酸钠/MXene沉积物（PSMS）气凝胶太阳能蒸发器。垂直多孔结构显著提升水传输效率与光捕获能力。以棉签作为一维水导流通道、聚丙烯非织造布作为漂浮支撑，组装得到自浮式蒸发器。在1倍太阳光照射下蒸发速率可达6 kg·m⁻²·h⁻¹；户外7 h日光照射条件下冷凝集水量可达18.37 kg·m⁻²，同时蒸发器具备优异耐盐、耐油性能。本工作充分利用MXene制备废料，开发出面向淡水收集的自漂浮太阳能蒸发系统。

全球淡水资源日益紧缺，传统海水淡化技术存在能耗高、占地面积大、管道易结垢等短板。太阳能界面蒸发可以把太阳能集中在蒸发界面，最大限度降低热损失，是低能耗海水淡化的理想路径。气凝胶凭借高孔隙率、低密度、低热导率成为蒸发器优选基材，垂直连通孔道结构对水输送、抑制热损耗起到关键作用。二维MXene光热性能优异，但制备成本高、产率有限，会生成大量MXene沉积物废弃物，该沉积物在超级电容器、电磁屏蔽已有研究，但其作为海水淡化光热材料的潜力尚未被挖掘。此外实际海水环境存在高盐、油污、微生物腐蚀等多重问题，开发兼顾耐盐、抗油污、抗菌的蒸发器仍存在很大挑战。

1、创新性将MXene制备工艺产生的废弃MXene沉积物（MS）直接用作海水淡化光热材料，实现废料资源化利用。

2、受木材蒸腾启发，采用定向冷冻制备具有垂直有序通道三维PSMS气凝胶，兼顾高速水输运、多重光捕获。

3、搭建棉签一维输水+聚丙烯浮体的自浮蒸发器，分离输水通道与热管理结构，降低输水过程热损耗。

4、该蒸发器兼具高蒸发速率、长效耐盐、水下超疏油、抗菌特性，户外装置可直接收集符合饮用水标准淡水。

图1 PSMS气凝胶蒸发器整体示意图与制备工艺。左图展示太阳能-蒸发-冷凝集水整套装置；右图为MXene沉积物来源；下图为MAX相蚀刻、MXene沉积物获取、PVA/SA/MS混合、定向冷冻‑冷冻干燥，以及自浮蒸发器组装全流程。定向冷冻促使冰晶垂直生长，形成贯通的竖直输水孔道，棉签作为一维输水构件，聚丙烯无纺布作为漂浮基底。

图2 PSMS气凝胶微观结构表征。(a)MXene沉积物宏观形貌；(b‑c)MS的TEM图，沉积物包含未蚀刻MAX相以及单层/少层MXene；(d‑f)气凝胶横向截面SEM；(g‑i)气凝胶纵向SEM，可见大量垂直取向通道；(j)C、O、F、Ti元素EDS面分布，证明MXene沉积物在PVA/海藻酸钠基体中均匀分散。

图3 PSMS气凝胶组分间相互作用。(a)气凝胶轻质宏观照片，可置于麦穗上不变形；(b)XRD图谱，对比Ti₃AlC₂、MXene沉积物、Ti₃C₂Tₓ、PSMS气凝胶物相；(c)FT‑IR红外光谱，证实MXene沉积物与PVA/海藻酸钠之间形成分子氢键；(d‑f)XPS全谱以及Ti 2p、F 1s高分辨谱，解析材料表面化学键状态。

图4 亲水性、光吸收与热管理性能。(a)水接触角测试，水滴2.5 s即可完全浸润气凝胶，表现超亲水性；(b)不同MS含量气凝胶紫外‑可见‑近红外吸收光谱，光吸收率最高可达98%；(c)干态与湿态气凝胶表面温度变化对比；(d)干态红外热成像；(e)不同光照入射角温度响应；(f)COMSOL仿真模拟干、湿状态下5 min内升温行为，证明材料优异热局域隔热效果。

图5 蒸发性能与耐盐机制。(a)蒸发测试装置示意图；(b)不同PVA/SA浓度蒸发质量变化；(c)不同MXene沉积物含量蒸发性能；(d)不同蒸发器高度蒸发表现；(e)1‑5倍太阳光强度下蒸发速率；(f)10次循环稳定性；(g)不同盐度盐水蒸发；(h)耐盐机理示意图，垂直孔道通过化学势差实现盐离子双向回流，抑制盐晶析出；(i)和已报道MXene基蒸发器蒸发速率对比。

图6 实际应用性能测试。(a)水下抗油污测试；(b)大肠杆菌、金黄色葡萄球菌抗菌平板实验，抗菌率>99.9%；(c‑d)户外蒸发‑冷凝‑收集实物与装置原理图；(e)户外实验环境温度和气凝胶表面温度随时间变化；(f)太阳辐照强度与淡水收集质量；(g)海水淡化前后金属离子浓度对比，冷凝水金属离子含量满足WHO、EPA饮用水标准。

本工作以MXene制备产生的废弃MXene沉积物为光热原料，结合PVA与海藻酸钠，通过液氮定向冷冻制备具有垂直排列通道的三维PSMS自浮气凝胶太阳能蒸发器。垂直各向异性孔道既加速水的输送、增强光捕获，侧壁还可以吸收环境能量提升蒸发输出。在1个太阳光照条件下蒸发器蒸发速率可达3.6 kg·m⁻²·h⁻¹；7 h户外自然光冷凝集水量可达18.37 kg·m⁻²。垂直孔道依靠盐离子双向回流实现优异耐盐，高盐海水中连续运行14天无盐分析出；材料表面形成稳定水膜，具备水下超疏油；MXene沉积物纳米片破坏细菌细胞膜，实现>99.9%抗菌率。户外收集冷凝淡水金属离子浓度符合饮用水标准。该研究实现MXene加工废料资源化，为高效、稳定、低成本太阳能海水淡化提供新思路。

Tian Wang, Li Meng, Hongxing Xu, Xiao Wang, Mingshu Jia, Xianguang Hou, Shuai Gao, Qingman Liu, Qihang Yang, Mingwei Tian, Lijun Qu, Zhenhua Song, Xiaohu Wu, Lili Wang, Xiansheng Zhang. MXene‑Sediment‑Based PVA/Sodium Alginate Aerogel Evaporator with Vertically Aligned Channels for Efficient Solar‑Driven Steam Generation. Nano‑Micro Letters, 2024, 16:220. https://doi.org/10.1007/s40820-024-01433-1

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资料整理：耿向宇

编辑：环境与能源功能材料

耿向宇（阳光净水课题组）

【资料整理】耿向宇：环境工程硕士研究生。

阳光净水课题组：主要研究方向为生物质基环境功能材料、太阳能蒸发材料、磁性吸附材料、污染物吸附和环境催化反应机理。课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

壳聚糖丨纤维素丨MOF材料丨石墨烯丨碳纳米管丨MXenes丨硫化钼丨催化材料丨蒸发材料丨吸附材料丨电极材料丨除磷材料丨产氢材料

2025年9月，国际TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的综述性论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述多功能和可持续壳聚糖基界面蒸发材料在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本文总结了壳聚糖基太阳能界面蒸发器（CS-SIE）四种类型（水凝胶、气凝胶、海绵和膜）、五种改性材料和在水污染控制中应用。最后，总结了CS-SIEs在际应用中仍面临挑战。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，最新中科院分区：8.50/二区TOP期刊。

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2024年06月08日，国际期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”综述论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述壳聚糖基异相催化剂在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本综述概述了金属氧化物/壳聚糖基复合材料（MOs@CSbMs）、金属硫化物/壳聚糖基复合材料（MSs@CSbMs）、铋基半导体/壳聚糖基复合材料（BibSCs@CSbMs）、金属有机框架/壳聚糖基复合材料（MOFs@CSbMs）和纳米零价金属/壳聚糖基复合材料（NZVMs@CSbMs）等5种Cat@CSbMs材料的制备策略及作为助催化剂、光催化剂、类芬顿试剂在处理各类废水中的应用进展。该综述不仅加深了对环境功能材料与环境污染控制作用的理解，也为未来Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和还原金属离子等相关领域的研究提供了参考和启示。该论文自2024年6月发表以来，现已被引用62次（Web of Science），国际引用占比73%，2025年5月起入选ESI高被引论文。

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2024年 12 月 24 日，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了 阳光净水课题组 题为 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 综述论文。本综述全面总结了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高废水处理和水净化的有效改性策略，并重点阐述了MoS2bMats在环境污染物吸附、光催化降解和还原、Fenton高级氧化、PMS/PS活化氧化、废水脱盐（膜过滤和太阳能蒸发脱盐）等方面的应用。最后，讨论并提出了 MoS 2 bMats 理论研究与应用之间存在差距、工程挑战、未来的研究方向和机遇。 该论文自 2024 年 12 月线上发表以来，现已被引用37 次（ Web of Science ）。

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2024 年 1 月，国际期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊发表了阳光净水课题组题为 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的综述性论文。更清洁、更安全的环境是未来最重要的要求之一。与传统材料相比，壳聚糖具有丰富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和亲水性，是一种更环保的功能材料。由于壳聚糖分子链上丰富的 -NH2 和 -OH 基团可以有效地与各种金属离子螯合，壳聚糖基材料作为金属氧化物纳米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撑基质具有巨大的潜力。近年来，许多壳聚糖 / 金属氧化物纳米材料（ CS/MONM ）作为吸附剂、光催化剂、非均相类芬顿试剂和传感器，在环境修复和监测中具有潜在和实际的应用。本综述全面分析和总结了CS/MONMs复合材料的最新进展，这将为CS/MONMs复合材料的制备和废水处理应用提供丰富而有意义的信息，并有助于研究人员更好地了解CS/MONMs复合材料在环境修复与监测中的潜力。该论文自 2024 年 1 月线上发表以来，现已被引用79 次（ Web of Science ），国际引用占比65.0%。

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2024 年 2 月，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了阳光净水课题组题为 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的综述性论文。污染物检测和水净化对于实现环境保护和资源利用非常重要。构建新型功能材料去除各种污染物也变得越来越重要和紧迫。本综述总结了磁性壳聚糖（M-CSbMs）的3种可靠制备策略（原位策略、两步策略和沉积后策略），并详细介绍了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金属离子、有机染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低浓度污染物等方面的研究进展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面临的挑战和前景，以期促进其在水净化和固相萃取污染物方面的实际应用。该论文自 2024 年 2 月发表以来，现已被引用 51 次（ Web of Science ）。

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