中国海洋大学崔洪芝等：协同高效太阳能蒸发及多功能盐分收集的双主元MXene基仿生微纳结构蒸发器设计

研究背景

太阳能驱动的界面蒸发是解决全球淡水短缺问题最具吸引力的方法之一。然而，在蒸发器中协同实现高蒸发率、有效盐分收集和多功能性，仍然是一项关键挑战。MXene作为一种新兴的二维材料，具有丰富的表面官能团、耐腐蚀性、抗菌性，以及成分、带隙和功函数的可调性，为其在复杂的海洋环境中实现多功能性提供了有力保障。但是，恶劣环境，包括高太阳辐照强度、风化、低温结冰、粉尘、生物污染等必然导致蒸发器的效率和稳定性大幅降低。因此，构建具有仿生微纳结构的超疏水光热表面，为协同实现耐盐、防/除冰、防污和抗菌等复杂服役性能需求提供了巨大的应用潜力。

Biomimetic Micro‑Nanostructured Evaporator with Dual-Transition-Metal MXene for Efficient Solar Steam Generation and Multifunctional Salt Harvesting

Ruiqi Xu, Hongzhi Cui*, Na Wei, Yang Yu, Lin Dai, Xiaohua Chen

Nano-Micro Letters (2025)17: 102

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01612-0

本文亮点

1. 设计并构建了兼具仿生微纳结构及双主元(V1/2Mo1/2)2C MXene纳米材料的超疏水光热复合陶瓷膜。

2. 双主元金属(V1/2Mo1/2)2CTx MXene通过提高接合态密度表现出增强的光热转换性能。

3. (V1/2Mo1/2)2CTx MXene-200复合膜在单倍光强下可实现2.23 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，且兼具定向的盐收集，防冰/除冰、防污和抗菌的优异多功能性。

内容简介

中国海洋大学崔洪芝等人以具有超疏防污性能的蝉翼结构为灵感，设计并构建了一种具有仿生微结构的光热超疏水复合陶瓷膜。其中，采用双金属元素Mo,V掺杂策略，增加了光热层(V1/2Mo1/2)2CTx MXene的联合态密度，使得光激发载流子松弛和热释放的数量增加，因此增强了MXene的光热转换性能，为多主元金属MXene的光热转换机制提供了新的见解。得益于(V1/2Mo1/2)2CTx MXene-200复合膜增强的“光阱”效应、光热转换和高通量的水传输，在单倍光强下能够实现2.23 kg m⁻² h⁻¹的高蒸发速率。此外，由于仿生微纳结构超疏水表面的新颖设计，复合膜可以诱导盐分在膜边缘进行定向沉积，从而实现盐分的回收和浓盐水的零排放。同时，该复合膜能够实现协同的抗/除冰、防污、抗菌等多功能性，克服了蒸发器多功能性难以兼容的缺点，为太阳能蒸发技术在复杂服役环境中的实际应用提供了巨大的发展潜力。

图文导读

I MXene基仿生微纳结构光热超疏水表面复合陶瓷膜的设计

本研究以蝉翼的点阵微凸结构为灵感，设计并构建了一种具有仿生微结构光热超疏水表面的复合陶瓷膜。首先采用可控、可扩展、高效的超快激光刻蚀策略制备了仿生微结构，随后将双过渡金属(V1/2Mo1/2)2CTx MXene作为光热转换层涂覆在其表面形成多级微纳结构，在低表面能PDMS的改性下，得到了具有仿生微纳结构的光热超疏水复合陶瓷膜，其制备工艺示意图如图1所示。

图1. 具有仿生蝉翼微纳结构的(V1/2Mo1/2)2C MXene复合膜的制备工艺示意图。

II MXene基仿生微纳结构复合陶瓷膜的制备及表征

如图2a所示，在相同的烧结温度和时间下，等原子比Mo，V体系中,只有“211”构型才能够生成MAX相。在相同构型下，调控烧结时间，(V1/2Mo1/2)2AlC-4h MAX相比于V₂AlC MAX，(002)峰向小角度处略微移动，表明双金属MAX相的面间距增大(图2b)。进一步采用水热辅助的原位氢氟酸法制备衍生的MXene相。如图2c所示，将水热温度提高到120 ℃ 时，出现了MXene典型的(002)衍射峰，即(V1/2Mo1/2)2CTx MXene。图2d-i为改性前后(V1/2Mo1/2)2CTx MXene的XPS及FTIR图谱。结果表明，改性前的MXene中的V及Mo元素存在不同的氧化态，且表面存在大量的-OH 官能团。为了进一步提高MXene在海水环境中的稳定性，采用POTS对(V1/2Mo1/2)2CTx MXene进行硅烷化改性。结果表明，在修饰后的MXene中，出现了归属于POTS的C-F和C-O的新峰，表明(V1/2Mo1/2)2CTx MXene成功接枝了POTS。

图2. MAX相及其衍生多层MXene的表征：a不同构型MAX相在1600 ℃下保温4 h的XRD图谱，b不同烧结时间下MAX相的衍射图谱, c (V1/2Mo1/2)2CTx MXene在不同蚀刻条件下的XRD图谱。(V1/2Mo1/2)2CTx MXene在POTS改性前后的XPS和FT-IR表征：d-f改性前V 2p、Mo 3d和C1s的光谱，g改性前后(V1/2Mo1/2)2CTx MXene的光谱，h改性后C1s的光谱，i改性前后(V1/2Mo1/2)2CTx MXene的FT-IR光谱。

SEM结果表明，(V1/2Mo1/2)2AlC MAX相呈现出典型的层状紧密排列结构， Mo、V、Al、C元素分布均匀(图3a)。在Al层被蚀刻后，衍生的(V1/2Mo1/2)2C MXene呈现出典型的手风琴状多层结构(图3b)。TEM结果表明，(V1/2Mo1/2)2C MXene暴露出晶面间距分别为1.211 nm(层间距)和0.226 nm的(002)和(100)晶面(图3d)。(002)晶面模型能够与暴露的原子表面高度对应，呈现出具有代表性的基面六边形对称结构(图3e)。Mo，V，C，O和F元素的均匀分布，表明MXene表面存在-OH、-F等末端基团。V: Mo的原子比约为1.17:1，接近等摩尔比，Mo元素的损失可归因于含钼陶瓷相的生成，与XRD结果一致。

图3. a (V1/2Mo1/2)2AlC MAX相在1600 ℃烧结4 h时的SEM和EDS图像。b 在120 ℃刻蚀温度下得到(V1/2Mo1/2)2CTx MXene-4 h。c-f 图像b的HRTEM和EDS: c 为MXene的多层形貌，d 为晶格条纹和晶面间距，e 为基面六边形对称结构对应于MXene的(002)晶面，f 为(V1/2Mo1/2)2CTx MXene的EDS图谱。

III 复合陶瓷膜的结构与光热转换性能

受蝉翼超疏水性能的启发(图4a)，采用超快激光刻蚀策略在平板氧化铝陶瓷膜表面进行仿生微结构的制备。随着仿生结构沟槽间距的增加(100、200、300和400 μm)，陶瓷膜的表面粗糙度逐渐下降，且均表现出超亲水性(CA = 0°)。采用PDMS对不同微结构表面进行低表面能改性后，所有改性陶瓷膜都表现出疏水性(图4b-e)。值得注意的是，在相同的修饰条件下，只有当图案间距为100 μm和200 μm时，对应的接触角为159.13°和155.02°，才能获得超疏水表面，这可以归因于仿蝉翼状微凸结构的构建。因此，将图案间距为100 μm的改性陶瓷膜作为衬底进行进一步研究。

图4. a 蝉翼的照片和扫描电镜图像。b-e 氧化铝陶瓷膜表面的宏观照片、SEM图像、表面三维形貌、表面粗糙度和接触角：b d = 100 μm, c d = 200 μm, d d = 300 μm, e d = 400 μm。

为了获得具有光热超疏水表面的复合陶瓷膜，将POTS修饰的(V1/2Mo1/2)2C MXene/PDMS溶液涂覆在具有仿生微结构的氧化铝陶瓷膜表面。同时，调控MXene的涂覆含量。如图5b-e所示，膜表面呈微凸柱状结构，上层堆叠层状纳米MXene颗粒。EDS图像显示Al，O，C，V，Mo，F和Si元素分布均匀。当MXene添加量分别为50、100和200 mg，三种复合膜的接触角分别为154.4°、151.9°和151°(图5b)。而无仿生微结构的(V1/2Mo1/2)2C MXene-200膜表面的接触角仅为126°，呈现疏水效应而非超疏水效应(图5a)。根据Cassie-Baxter方程。水滴与表面接触面积的减小可以使表观接触角θC增大。因此，超疏水表面的形成机理为，表面微凸柱提供微米尺度结构，MXene颗粒堆叠形成纳米尺度结构，PDMS涂层为低表面能提供必要条件，从而实现了超疏水表面的构建。如图5f-h所示，(V1/2Mo1/2)2C MXene-200复合陶瓷膜的整体结构中，底部为微米级的间隙多孔结构，柱状微凸结构在表面排列整齐。复合膜的顶部为MXene涂覆层(图5h)。此外，超声和砂纸刮磨实验验证了沟槽结构可以诱导MXene/PDMS液体流动，并通过沟槽与纳米颗粒的“机械互锁”效应有效提高了基体与MXene的结合强度。此外，与无微纳结构的原始陶瓷膜相比，具有微纳米结构的(V1/2Mo1/2)2C MXene-200复合膜具有更低的光反射率和更高的光吸收率(90.1%)，这归因于MXene优异的太阳光吸收特性和微纳结构协同叠加的“光阱”效应(图5i-k)。

图5. MXene/氧化铝复合陶瓷膜的SEM图像和表面接触角：a无沟槽结构的(V1/2Mo1/2)2C MXene-200复合陶瓷膜，b 槽间距为100 μm的(V1/2Mo1/2)2C MXene-200复合陶瓷膜。c 单柱上MXene分布的SEM图像。d-f 复合陶瓷膜底部三维互联多孔结构的局部放大图和能谱图。g 复合陶瓷膜的整体横截面形貌。h 复合陶瓷膜微纳凸柱的横截面形貌及“光阱”效应示意图。i 无沟槽结构的(V1/2Mo1/2)2C MXene-200复合陶瓷膜，j 沟槽间距为100 μm的(V1/2Mo1/2)2C MXene-200复合陶瓷膜表面的三维形貌和表面粗糙度。k 氧化铝陶瓷膜和(V1/2Mo1/2)2C MXene-200复合陶瓷膜的吸收光谱。

与纯海水和原始氧化铝陶瓷平板膜相比，MXene基复合膜具有快速的光热响应特性和优异的光热转化性能(图6a-b)。在相同的光照强度及时间下，(V1/2Mo1/2)2C MXene-200复合膜的湿态温度达到44 ℃，而单金属元素V₂C MXene仅达到36.9 ℃。因此，进一步采用第一性原理计算研究了金属元素掺杂行为对MXene光热转换性能的增强机理。结果表明，V₂CO₂和(V1/2Mo1/2)2CO₂的能带越过费米能级，没有出现带隙，表现出典型的金属性质(图6c-d)。此外，在费米能级附近，(V1/2Mo1/2)2CO₂ MXene比V₂CO₂具有更多的能带和更高的电子态密度，这主要是由于强局域Mo-4d态。与金属材料类似，MXene的光热性能与EF周围的电子能带结构密切相关。(V1/2Mo1/2)2CO₂ MXene在费米能级附近具有比V₂CO₂ MXene更高的接合态密度(JDOS)，通过光激发可以产生大量的热电子和空穴，能够导致更快的弛豫速率，从而使受激热电子的非弹性寿命更短，如图6e所示。同时，(V1/2Mo1/2)2CO₂ MXene的多个能带也有利于热载流子的弛豫和放热。因此，对于(V1/2Mo1/2)2C MXene，费米能级附近的高接合态密度和多能带有利于光激发载流子松弛和热释放过程，从而增强了掺杂MXene的光热转换性能。此外，在相同层数下，即使改变Mo和V元素的占位，Mo掺杂MXene的态密度始终高于未掺杂的V₂C MXene。因此，过渡金属元素掺杂策略对提高MXene的光热转换性能具有巨大的潜力。

图6. a在单倍光照(1.0 kW m⁻²)下样品表面温度随时间的变化曲线。b所有样品的红外图像。c 单层V₂CO₂ MXene和d单层(V1/2Mo1/2)2CO₂ MXene (I型)的能带结构和电子态密度(DOS)。e V₂C MXene和(V1/2Mo1/2)2C MXene的光热转换机理示意图。

IV 太阳能蒸发和耐盐性能

在自组装蒸发器上进行太阳能驱动界面蒸发实验(图7a)。在单倍光照60min后，蒸发器内部水温仅小幅升高0.6 ℃ (图7b)，表现出仅为5.4%的热传导损失，这归功于陶瓷膜内部空气层和泡沫保温层的出色热管理。此外，在单倍光照下， MXene复合膜的蒸发速率远高于纯海水(0.45 kg m⁻² h⁻¹)和原氧化铝陶瓷膜(1.6 kg m⁻² h⁻¹)，并随着MXene含量的增加而显著增大。(V1/2Mo1/2)2C MXene-200复合陶瓷膜的蒸发速率最高，为2.23 kg m⁻² h⁻¹(图7c-d)，约为纯海水的4.95倍，证明了其优异的太阳能蒸发性能。主要归因于高效的光吸收，优异的光热转换性能，高通量的水传输以及出色的热管理。此外，(V1/2Mo1/2)2C MXene-200复合陶瓷膜在不同浓度的盐水及高浓盐的环境下保持了优异的蒸发稳定性，且复合膜表面无盐分沉淀(图7e-f)。在10%盐溶液的连续蒸发实验中，可获得约为2.0±0.2 kg m⁻² h⁻¹的稳定蒸发速率 (图7f)。值得注意的是，在连续光照10 h时，才观察到少量的盐晶体开始在膜边缘定向沉淀。同时，随着光照的持续照射，盐的结晶行为不是扩散到膜表面，而是逐渐积聚在之前的晶体上，在照射25 h后最终在膜边缘形成大块盐颗粒(图7g-h)。结果表明，复合陶瓷膜具有优秀的耐盐性和定向诱导盐分析出的独特优势。毫无疑问，盐分的定向沉淀可以快速、方便地收集，从而实现盐的回收利用，以及实现高浓度盐水的零排放。此外，本研究设计的仿生蒸发器的蒸发速率优于许多专注于耐盐、集盐等多功能的蒸发器，如图7i所示。经(V1/2Mo1/2)2C MXene-200复合陶瓷膜太阳蒸发后，海水淡化效率达到99.99%，远低于世界卫生组织(WHO)的目标和中国饮用水质量标准(GB5749-2006) (图7j)。

图7. a自组装蒸发器原理图。b (V1/2Mo1/2)2C MXene-200复合陶瓷膜蒸发器的表面和内部温度。c所有样品在单倍光强下的海水质量变化和d相应的蒸发速率。e (V1/2Mo1/2)2C MXene-200复合陶瓷膜在不同盐水中的蒸发速率和表面照片。f (V1/2Mo1/2)2C MXene-200复合陶瓷膜在单倍光照下的循环试验和g相应的表面照片。h盐分定向析出示意图。i本工作蒸发速率与其他文献的对比图。j真实海水和收集的淡水中典型离子的浓度图。

V 防/除冰和防污等多功能性

采用液滴冲击实验测试了复合陶瓷膜超疏水表面的稳定性，如图8a所示，高速相机捕捉到典型的液滴反弹现象，表明复合陶瓷膜表面具有强大的超疏水性。在-40 ℃的极低温环境中，超疏水表面的延迟结冰时间是亲水表面的4倍(图8b)。且在光照下，能表现出快速的光热除冰性能(图8c)。其原因可以归结为光热超疏水表面的微纳米结构中存在的间隙可以提供额外的空气层，以减少水滴与表面的接触面积，从而实现延迟结冰与快速的光热除冰(图8d)。此外，如图8e所示，超疏水表面的泥沙在短时间内能够轻易的被水流冲走，表现出优异的抗泥沙污染能力。

图8. (V1/2Mo1/2)2C MXene-200复合陶瓷膜多功能性能试验。a水滴撞击复合陶瓷膜表面的典型快照。b超疏水复合陶瓷膜表面水滴(≈10 μL)在-40 ℃下冻结的典型图像。c复合陶瓷膜在氙灯照射下的表面温度随时间的变化。d复合陶瓷膜光热除冰机理示意图。e复合陶瓷膜防泥沙污染的典型图像。

VI 结论

综上所述，本文设计并构建了一种新型的，具有仿生微纳米结构和光热超疏水表面的(V1/2Mo1/2)2CTx MXene基复合陶瓷膜，。过渡金属元素在“M”点位置的掺杂通过提高接合态密度显著增强了多主元金属MXene的光热转换性能，实现了高密度的光激发载流子松弛和热释放。此外，微纳结构表面的设计不仅通过延长光的折射路径有效地增加了“光阱”效应，而且通过“机械互锁”效应显著提高了MXene与陶瓷基底之间的结合强度。此外，(V1/2Mo1/2)2CTx MXene-200复合膜在单倍光照下的蒸发速率高达2.23 kg m⁻² h⁻¹，这得益于其优异的光热转换性能、二维排列水通道的高通量输水和有效的热管理。此外，超疏水表面可以诱导盐晶体在膜边缘的定向沉淀，从而实现盐的回收利用，并实现高浓度盐水的零排放。更重要的是，复合膜具有出色的多功能性，包括防/除冰、防污和抗菌性能，主要归因于其具有微纳米结构的超疏水表面的巧妙构造。因此，复合膜的耐用性、稳定性和多功能性将有助于提高太阳能海水淡化技术在复杂海洋环境下的长寿命和可靠性，是一种具有经济效益和实际应用潜力的高效候选材料。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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