MXene Ti3C2作為高效的二維光熱轉化材料

最新 09-15

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自第一次工業革命以來，人類社會的發展突飛猛進，但隨之而來的能源與資源危機卻與日俱增，以水資源為例，雖然地球表面百分之七十一的面積被水覆蓋，然而可供人類以及大部分陸地生物使用的淡水資源卻極為有限，僅佔整體水量的百分之四。為了滿足日益增長的水資源需求，多種科技被源源不斷地引入到實際生產與生活中。海洋擁有百分之九十六以上的水資源儲備，因此，有效利用海水資源，通過特定的技術與工藝對海水進行淡化處理，以滿足日常的生產生活需求，無疑為解決淡水資源不足的嚴峻問題提供了有效出路。

目前應用最為廣泛的海水淡化技術主要局限於蒸餾淡化和反滲透膜技術，然而兩者均面臨能源消耗大、設備維護成本高、產品價格昂貴等諸多缺點。低耗能、低成本、環境友好型海水淡化科技的需求與日俱增。太陽能可以被看作取之不盡、用之不竭的清潔能源，每天照射到地球上的太陽能相當於全世界一年的能量消耗。太陽光照導致的水蒸發提供了大氣環境中90%的水汽，是生物圈中水循環極為重要的環節。人們可將太陽能轉化為熱能，促進海水的蒸發並收集蒸發產物，即可獲得高品質、低價格的淡水資源。

為了獲得更高的太陽光-熱能轉化效率，實現更高效的水蒸發性能，光熱轉化材料的選擇和蒸發裝置的設計尤為重要。二維過渡金屬碳（氮）化物（Mxene）作為一種新興的二維材料，其化學組成主要為過渡金屬碳（氮）化物，因具有極為出色的電磁波吸收能力，在眾多待選材料中脫穎而出。近日，阿卜杜拉國王科技大學海水淡化中心的王鵬教授課題組成功地將MXene引入光熱水蒸發中。

為了準確評估光熱轉化材料的能力，基於能量平衡這一原理的水滴實驗用來測量不同光熱材料的光能-熱能轉化效率。實驗表明，MXene可以在維持高吸光率的條件下近乎百分之百地將吸收的光能轉化為熱能，而這一特點是優秀光熱材料的必要條件之一。

圖1. 測量材料光熱轉化能力的水滴實驗示意圖。

由於蒸發作用僅存在於水與空氣的界面，以往的研究表明，將光熱轉化所得的能量限制在界面附近的區域可以大大提高能量利用率，增加光熱水蒸發效率。在蒸發裝置的設計上，耐腐蝕、高穩定性的聚偏二氟乙烯膜被選為基底，通過真空抽濾法將MXene光熱轉化材料層層堆疊在基底上，二維材料之間形成的微結構可作為水通道，通過毛細作用將下方的水源源不斷抽送到蒸發表面。為了獲得更高的蒸發效率，泡沫隔熱層被固定在基底下方，使蒸發裝置可以自由漂浮在水面上，並在液-氣界面積聚熱轉化所得的能量，高效地促進海水蒸發淡化過程。通過合理的材料選擇與設計，這一蒸發裝置可以達到百分之八十四的太陽能-水蒸發轉化效率，即每平方米光熱膜每小時可產出約1.4千克淡水，而能耗卻完全來自太陽能，可以稱為真正意義上環境友好型的海水淡化工藝。