Nature Inspired MXene-Decorated 3D Honeycomb-Fabric Architectures Toward Efficient Water Desalination and Salt Harvesting
Zhiwei Lei, Xuantong Sun, Shifeng Zhu, Kai Dong, Xuqing Liu, Lili Wang*, Xiansheng Zhang*, Lijun Qu, Xueji ZhangNano-Micro Letters (2022)14: 10
https://doi.org/10.1007/s40820-021-00748-7
1. 受自然界蜂窝结构的启发，制备出一种由Ti₃C₂Tₓ (MXene)修饰的3D蜂巢织物，并将其用于高效的海水淡化。
2. 蜂窝状的织物结构可以增加对光的捕获，减少热量因对流和辐射热的损失。
3. 三维蜂窝状织物蒸发器在1个太阳光的照射下拥有高达93.5%的太阳能利用效率和出色的盐收集能力。
人口增长与淡水短缺之间的冲突，已成为二十一世纪最具挑战性的问题之一。据估计，到2025年，生活在缺水地区的人数可能增加到39亿。因此，如何有效地开发淡水资源成为一个重要的研究课题。太阳能蒸汽产生技术已成为海水淡化、废水净化等领域的一种极具前景的方法。然而，在蒸发器中同时实现优异的光吸收、热管理和盐分收集仍然具有挑战性。青岛大学曲丽君教授团队张宪胜副教授等提出了将毫米级蜂窝状孔壁结构的3D蜂巢织物与新型光热转换材料MXene结合设计高效的太阳能蒸汽产生装置。蜂巢织物凹形蜂窝状的阵列结构、粗糙的纤维表面和高孔隙率，为入射光创造出最大程度的多重散射，实现了宽光谱太阳光在蜂巢内部的捕获和吸收。将MXene改性蜂巢织物、隔热聚苯乙烯泡沫和1D的棉棒导水通道进行巧妙设计，既可以降低蒸发器的热量损失，又可以在亲水织物表面形成从中心向边缘的盐溶液浓度梯度，盐仅在织物蒸发器边缘结晶，而不会阻塞蒸发器表面。基于此，该织物蒸发器可以实现长期稳定的海水淡化和盐收集，在1个太阳光下的蒸发速率高达1.62 kg m⁻² h⁻¹ ，并且即使在21%的盐水中，盐也只会在边缘结晶。
利用亲水性棉纱线作为经纱和纬纱，通过特殊的经纬交织法编织成具有周期性凹形蜂窝结构排列的3D蜂巢织物。通过简单且可扩展的浸渍自组装方法制备了MXene/3D蜂巢织物。多层MXene纳米片彼此紧密重叠，呈现出连续的褶皱，增加了纤维表面粗糙度。
图1. (a) 3D蜂巢织物的制造过程示意图；(b, c) PDDA/MXene复合后的3D蜂巢织物及纱线示意图；(d) MXene和纤维相互作用示意图；(e) MXene/3D蜂巢织物的宏观图像(长30厘米，宽度10厘米及柔韧性展示图)；(f) MXene的TEM图像和丁达尔效应；(g, h) MXene的HRTEM图和AFM图像；(i) 原始3D蜂巢织物和MXene/3D蜂巢织物的SEM图；(j) MXene/3D蜂巢织物的C、O、Ti和F的EDS元素映射图；(k) MXene、MXene/3D蜂巢织物、原始3D蜂巢织物的XRD图谱。
II MXene/3D蜂巢织物的亲水性、吸光性、光热转换和热导率
研究发现，MXene/3D蜂巢织物具有优异的亲水性和光吸收能力，其在280 nm-2500 nm吸光率接近96%、MXene的消光系数为27.3 L g⁻¹ cm⁻¹ 。MXene/3D蜂巢织物在一个太阳光照射下表面温度高达86℃，远高于MXene/平纹织物的72℃，同时蜂巢织物对光照方向的依赖性低。蜂巢织物在干、湿态具有较低的导热系数，有利于减少热量的损失。
图2. (a) MXene/3D蜂巢织物亲水性展示；(b) MXene/3D蜂巢织物和MXene/平纹织物的吸收光谱；(c) 太阳光在不同织物上反射过程示意图，2D平纹织物对太阳光单次反射，3D蜂巢织物对太阳光多次反射；(d) 不同质量浓度MXene溶液的吸收光谱，插图：朗伯比尔定律(Lambert-Beer law)在808 nm处的吸光度图；(e) MXene/3D蜂巢织物和MXene/平纹织物在不同入射角(0°，30°，50°和70°)下的IR图像(左侧插图为入射角示意图)；(f) 一个太阳光照射下MXene/平纹织物和MXene/3D蜂巢织物的表面温度变化曲线(插图为MXene的光热转换示意图)；(g, h) 干态和湿态MXene/3D蜂巢织物的热导率(插图为测试过程的IR图像)。
III MXene/3D蜂巢织物蒸发器的热定位和太阳能蒸汽产生性能
由顶部蜂巢织物、底部聚苯乙烯泡沫和1D导水通道组成的蒸发器具有很好的局部热定位特性，热量主要集中在织物表面，并没有散失到水中，从而实现热量损失最小化，蒸发器表现出优异的热管理性能。在一个太阳光照射下，蒸发器显示了高达93.5%的蒸发效率和1.62 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，蒸发效率优于大部分织物基和MXene基蒸发器。
图3. (a) 太阳能蒸汽产生性能测试系统示意图；(b) 不同光照强度下，蜂巢织物表面温度随辐照时间的变化(插图：蜂巢织物表面的红外图像)；(c) 在1 kW m⁻²太阳光照下，蒸发器的纵向温度分布(左图)，在3 kW m⁻²的太阳光下产生的水蒸汽的图像(右图)；(d) 在1太阳光照下，水、原始平纹织物、原始蜂巢织物、MXene/平纹织物和MXene/3D蜂巢织物的水蒸发质量变化；(e) 在1太阳光照下，水、原始平纹织物、原始蜂巢织物、MXene/平纹织物和MXene/3D蜂巢织物的水蒸发速率和蒸发效率；(f) MXene/3D蜂巢织物与以前的报道的MXene基和织物基蒸发器蒸发效率比较；(g) MXene/3D蜂巢织物在不同太阳光照射下蒸发质量随时间的变化；(h) MXene/3D蜂巢织物在不同太阳强度下的蒸发速率；(i) 在不同太阳光强下，测得MXene/3D蜂巢织物的蒸发循环性能。
IV MXene/3D蜂巢织物蒸发器水净化性能、盐阻性能、户外蒸发测试
MXene/3D蜂巢织物蒸发器收集到的淡水浓度比海水低3到4个数量级，盐溶液浓度远低于世界卫生组织对饮用水的标准。此外，MXene/3D蜂巢织物蒸发器具有优异的抗盐能力，蒸发器在3.5%的海水中连续照射35小时(1个太阳光)，蒸发速率保持稳定(图4c)，蒸发器表面非常清洁，仅有很少量盐在织物边缘结晶。当海水溶液浓度高达15%时(1和3太阳光)，1D水通道输送的盐溶液从亲水性织物中心向边缘扩散，随着水分的蒸发，边缘盐溶液浓度越来越大，当溶液盐浓度高于其饱和浓度时，盐颗粒在织物边缘结晶析出，可以实现盐的有效收集。另外室外实验表明：蒸发器在室外一天(8:00-17:00)产生的水量高达6.9 kg m⁻²，足以满足三个人的日常饮水需求。
图4. (a) 脱盐前后真实海水(中国黄海)中四种主要盐离子的浓度；(b) 蒸发前亚甲基蓝(MB)、甲基橙(MO)溶液和蒸发后相应的冷凝水的紫外可见吸收光谱；(c) 蒸发器连续蒸发35个小时前后对比图；(d) 蒸发器盐积累图片；(e) 太阳能蒸发器水蒸发、水运输和盐积累示意图，(f) 蒸发过程织物表面温度图像；(g) 在盐浓度15%下，1 sun和3 sun下盐分积累变化图；(h) 从上午8:00到下午17:00(2020年11月12日，中国青岛)，太阳光强度、蜂巢织物表面温度、环境温度以及蒸发水质量随时间的变化。
雷志伟
本文第一作者
MXene改性纺织基光热转换材料制备及海水淡化蒸发器设计。
张宪胜
本文通讯作者
石墨烯、MXene等纳米材料的合成，及其在纺织领域的应用。
▍主要研究成果
近年来主要从事石墨烯、MXene等二维材料在电磁屏蔽、吸波、光热转换等先进功能纺织材料方面的研究。获山东省科技进步二等奖一项、中国纺织工程学会陈维稷优秀论文奖两项、“中国化学纤维工业协会.恒逸基金”优秀学术论文一等奖一项，现已在Adv. Mater., Chem. Eng. J., J. Hazard. Mater.等国际知名期刊发表20余篇，主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目8项。
▍Email: xshzhang@qdu.edu.cn
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(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, 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，2020JCR影响因子达16.419，学科排名Q1区前10%，中科院期刊分区1区TOP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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