随着全球淡水资源的日益短缺，海水淡化成为解决淡水供应需求的一种有前景的策略。
传统海水淡化技术如多级闪蒸、电渗析、反渗透和多效蒸馏等，存在重量大、成本高、淡水生产率相对较低以及蒸发过程中能源消耗大等问题，限制了其大规模应用。近年来，太阳能作为一种可靠、可持续且低成本的绿色可再生资源，吸引了众多研究者的关注。然而，直接利用太阳能加热海水产生淡水的效率很低，且会造成大量热损失。因此，设计一种太阳能驱动蒸发器（SDE），将热量集中在液气界面实现高性能蒸发成为当前研究热点。
目前，许多材料被用于制备 SDE，如金属基薄膜、金属泡沫、碳基材料、生物基材料和二维膜材料等，但仍存在诸多局限性，如机械性能低、重量大、蒸发率有限、不适合实际应用以及制备过程复杂等。同时，传统二维蒸发器常面临供水不足和水传输缓慢的问题。而三维蒸发器在光热转换和海水淡化中表现出更高的效率和耐用性，但也面临机械强度不足、耐久性差和加工性差等挑战。因此，设计低成本、轻质、稳定供水通道和长期耐用的太阳能驱动蒸发装置，优化光热材料、结构设计和蒸发率，成为亟待解决的问题。长春工业大学金琳等研究人员设计了一种由碳纤维作为结构支撑材料，壳聚糖气凝胶作为骨架结构的三维蒸发器；采用具有二维异质界面的MoS2-MXene作为光热转换材料，通过数据分析发现异质结构的存在有效降低了水蒸发焓，分子动力学充分说明了水分子在不同材料表面逃逸速度快慢。研究结果表明，该方法所制备的蒸发器具有优异的机械性能、可规模化制备、出色的水蒸发性能及抗盐特性，具有非常可观的实际应用前景。
该论文发表以“Large-Scale carbon Fiber-Based Solar-Driven evaporator with 1T MoS2-MXene Heterostructure: Towards reliable mechanical performance and efficient seawater desalination”为题发表在杂志Chemical Engineering Journal，第一作者为金琳，共同通讯作者为敖玉辉教授，王嵩教授及孙德教授。
图1. Janus 1 T MoS2 -MXene/ CSA/CF（JMMC）蒸发器的制备工艺的示意图
图2. (a) CSA的SEM图像。（b-c）CSA/CF、MXene/ CSA/CF分别的SEM图像。(d) MXene单片层的SEM图像。(e)1T MoS2- MXene/ CSA/CF的SEM图像及(e) 其放大图像。(f)MXene/CSA/CF和1T MoS2 - MXene/ CSA/CF的实物数码照片。(g)Janus 1T MoS2 -MXene/ CSA/CF（JMMC）蒸发器的扫描电镜图像。(h)Janus 1T MoS2-MXene/ CSA/CF（JMMC）蒸发器的照片（站在一朵花上。(i)Janus 1T MoS2 -MXene/ CSA/CF的EDS元素分析。
图3. （a）Janus MoS2-MXene/ CSA/CF的XPS全谱图（b）C1s谱图, （c）MXene/ CSA/CF 和 MoS2-MXene/ CSA/CF 的 Ti 2p 谱图（d）MoS2/ CSA/CF 和 MoS2-MXene/ CSA/CF 的 Mo 3d 谱图。
图4. （a）MoS2/ CSA/CF和 MoS2-MXene/ CSA/CF 的XRD图谱（b）XRD图谱在5°-20°范围内的放大图，（c）样品的傅里叶变换红外（FTIR）光谱图 ,（d） MoS2/ CSA/CF和 MoS2-MXene/ CSA/CF 的高分辨透射电镜（HRTEM）图，（e）静态接触角对比图。
图5. (a)在蒸发过程中，JMMC蒸发器的运行示意图。(b)CSA、CSA/CF、MXene/ CSA/CF和JMMC蒸发器在2 mm/min条件下的应力-应变曲线。(c)干式MXene/ CSA/CF和JMMC蒸发 器的焦耳加热实验。(d)吸水能力试验。
图6 . (a) CSA、CSA/CF、MXene/ CSA/CF、1T MoS2 -MXene/ CSA/CF和纯水的DSC曲线。(b)水和JMMC的蒸发焓。(c)CSA和JMMC的保温性能。
图7. 分子动力学模拟水在不同表面上的水蒸发的速率。
图8 (a)海水和蒸发水的比电导率和ORP值。(b)连续太阳蒸发试验。太阳淡化20 h后JMMC上表面盐堆积和1太阳(1.0 kW m− 2 )。(c)JMMC蒸发器在不同盐度下的蒸发速率和效率。(d)JMMC的循环蒸发试验。
图9. (a)室外蒸发装置示图。(b)蒸发性能和环境温度。(c)不同时间下的实际室外蒸发率。
本文提出了一种具有 Janus 结构的三维碳纤维增强太阳能驱动蒸发器，其表面修饰有 1T MoS₂ - MXene 光热转换材料。该蒸发器通过真空辅助灌注工艺（VAIP）制备，以碳纤维为结构增强材料，壳聚糖气凝胶（CSA）为骨架结构。在水蒸发过程中，三维结构提供了充足的水传输通道。MXene 的存在使水热过程中产生的 2H MoS₂通过离子嵌入部分转化为亲水性的 1T MoS₂，实现了蒸发器亲水层内的连续水传输。
通过多种表征手段对蒸发器进行了分析，结果表明其具有优异的性能。JMMC 蒸发器在200 - 2500nm 范围内的太阳能吸收效率高达 94%，蒸发焓低至 1556.4kJ·kg⁻¹，有利于水分子在界面的逃逸。在1个日照下，蒸发率为 2.29kg·m⁻²·h⁻¹，效率为 93.8%。分子动力学模拟证实了 1T MoS₂ - MXene 异质结构能提高水蒸发速率。此外，该蒸发器机械性能良好，在低电压下具有出色的焦耳热效应，能在阴天或室内等环境下实现水蒸发。在海水淡化实验中，该蒸发器表现出优异的脱盐性能和抗盐性，离子浓度大幅降低，符合饮用水标准。室外蒸发实验也显示出其在实际应用中的潜力，可收集大量清洁水。总之，该蒸发器在海水淡化和解决饮用水及灌溉资源短缺方面具有巨大潜力。
原文链接：
Jin L, Zhang L, Liang H, et al. Large-Scale carbon Fiber-Based Solar-Driven evaporator with 1T MoS2-MXene Heterostructure: Towards reliable mechanical performance and efficient seawater desalination[J]. Chemical Engineering Journal, 2024: 154469.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894724059606
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