1. 背景：淡水、粮食与能源的紧迫挑战
在全球气候变暖与人口快速增长的双重压力下，淡水短缺与粮食安全正成为可持续发展的瓶颈。IPCC第六次评估报告指出，全球近一半人口每年在部分时段面临严重缺水。世界气象组织（WMO）更是发出预警，到2050年受水资源压力影响的人口还将再增约15~20亿。特别是也门、巴基斯坦等地区，不仅面临高水短缺风险（水短缺指数>3），还同时饱受极端饥饿问题的困扰（全球饥饿指数≥35）（图1）。因此，如何将太阳能与海水资源转化为“水-粮-能”的协同供给，成为亟待攻克的关键科学与工程问题。
图1. 本研究中(MXene-MgO)@SA复合凝胶（MMS）的设计背景与灵感来源
2. 前期积累：基于MXene多功能化与规模化制备的深厚研究基础
近日，西北农林科技大学樊志敏教授团队在国际综合性期刊《Science Bulletin》发表了最新成果，实现从海水/盐湖水中同步获取淡水与硼资源（图1d），为缓解全球水资源短缺与农业增产提供了新思路。
这项突破源于团队自2015年以来在MXene多功能化与规模化方向的持续深耕，围绕原子尺度调控、界面作用机制与大规模生产技术形成了系统积累：1）在规模化制备与功能化方面，Angewandte Chemie International Edition（2025, 64, e202418420）提出高温超声辅助的单层MXene宏量制备技术，通过破坏多层MXene的氢键“笼”束缚实现≈95%单层产率，为MMS的高效光热蒸发提供了核心材料基础；Advanced Science（2025, e08665）实现了MXene的长期可逆再分散与优异抗氧化稳定性，解决了工业化应用中的存储与再加工难题，保障MMS的稳定持效运行。2）在光热转换与吸附机制方面，Advanced Science（2024, 11, 2309171）揭示MXene薄膜的动态重构机理，为光热转换与层间输水调控提供了理论依据；Angewandte Chemie International Edition（2020, 59, 14029-14033）首次报道湿度梯度驱动的MXene薄膜致动，阐明双层不对称膨胀与热–湿耦合效应，支撑本研究中多场协同设计。3）在复合材料设计与应用方面，Matter（2022, 5, 1042-1055）揭示相邻层间水分子的活化与重组机制，为MXene薄膜大面积构筑与复杂结构设计提供了方法论，并指导MXene与MgO的复合工艺优化。
3. 核心突破：基于MXene功能化与规模化制备的MMS材料创新
在上述系统积累基础上，团队将硼吸附剂氧化镁（MgO）与兼具光热转换及硼吸附辅助功能的MXene（Ti3C2Tx）协同掺入海藻酸钠（SA）基质中，构建出(MXene-MgO)@SA复合凝胶（MMS，图2）。该材料通过“结构–功能–机制”的协同设计（图2~图4），发挥出典型双重核心优势：
1). 高效光热转换与快速输水
MMS呈三维分级多孔互穿交联网络结构，MXene纳米片与MgO纳米颗粒均匀分散其中（图2）。该结构实现了94.80%的全光谱太阳能吸收，并以毛细管作用实现快速输水（接触角≈0°），为高效蒸发奠定基础。在1 Sun光照强度下，干态MMS的稳态表面温度高达109.6 °C；湿态蒸发速率高达2.14 kg m–2 h–1。
2). 高选择性与循环稳定性
在真实海水体系中，MMS对硼的吸附表现出优异的选择性，即使存在Na+、K+、Mg2+等阳离子与HCO3–、SO42–等阴离子，硼吸附率仍保持83%以上。经过7次吸/脱附循环，吸附容量仍维持初始值的86%以上，且蒸发速率无明显衰减，有效克服了传统吸附剂“易失活、难循环”的痛点。
图2. MMS的制备与表征
图3. MMS的室内太阳能水蒸发性能
图4. 太阳能驱动下MM0.6S的硼吸附能力及相关吸附机制探究
4. 户外验证：日产淡水5.2 kg m–2，提硼122 mg m–2，助力粮食增产
为评估MMS的实际应用潜力，研究团队于2025年3月进行了户外实证。尽管当期太阳辐射强度偏弱，MMS仍可稳定运行：单日7.5 h内可产淡水5.20 kg m–2，并同步回收硼122.45 mg m–2。对所得冷凝淡水进行检测显示，主要离子浓度显著低于WHO饮用水限值，且未检出硼，有效解决了传统淡化技术所得水中“硼超标”的难题。更重要的是，回收的硼可直接助力农业生产。用脱附后的硼溶液灌溉芥末，其种子发芽率提升了13%，生物量是缺硼对照组的3倍，实现了“淡水–硼资源–粮食增产”的闭环。同时，针对高盐卤水易积盐的问题，团队还设计了Janus结构F@MM0.6S（上层负载全氟硅烷），在20 wt%饱和NaCl溶液中连续14天循环蒸发过程中，仍保持1.80 kg m–2 h–1的稳定蒸发速率，且无可见盐结晶，为盐湖卤水等极端场景应用提供了可能（图5）。
图5. MM0.6S的实际应用探索
5. 应用前景：从沿海到内陆，破解资源短缺困境
该技术的优势不仅在于“一箭双雕”的功能，更在于材料的规模化潜力。MgO为商业化产品，MXene（Ti3C2Tx）的大规模制备技术已基本成熟，而SA则是低成本天然高分子材料，三者有机结合可大幅度降低制备成本。根据全球太阳辐射分布估算，在也门等太阳资源丰富地区，MMS每平方米10天可产淡水90.3 kg，支撑60.2 g谷物生产；即使在印度等中等辐射地区，10天也可产淡水68.4 kg，充分证明了所设计MMS在水–粮短缺地区的应用价值。
6. 总结：资源循环的新范式
这项研究突破了传统海水淡化“只产水、不回收”的局限，通过太阳能多场协同策略，将海水从“待处理废水”成功转化为“淡水+硼资源”的双重宝库，为“淡水–粮食–能源”短缺难题提供了全新解决方案。对沿海、盐湖等资源短缺地区而言，本研究构筑的MMS不仅能有效缓解水资源压力，还可为农业增产与工业原料供应开辟新路径，是一种“可持续发展的微型资源工厂”。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.11.010
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