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  隨著全球淡水資源的日益短缺，海水淡化成為解決淡水供應(yīng)需求的一種有前景的策略。

  傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)如多級(jí)閃蒸、電滲析、反滲透和多效蒸餾等，存在重量大、成本高、淡水生產(chǎn)率相對(duì)較低以及蒸發(fā)過程中能源消耗大等問題，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。近年來，太陽能作為一種可靠、可持續(xù)且低成本的綠色可再生資源，吸引了眾多研究者的關(guān)注。然而，直接利用太陽能加熱海水產(chǎn)生淡水的效率很低，且會(huì)造成大量熱損失。因此，設(shè)計(jì)一種太陽能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器（SDE），將熱量集中在液氣界面實(shí)現(xiàn)高性能蒸發(fā)成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

  目前，許多材料被用于制備 SDE，如金屬基薄膜、金屬泡沫、碳基材料、生物基材料和二維膜材料等，但仍存在諸多局限性，如機(jī)械性能低、重量大、蒸發(fā)率有限、不適合實(shí)際應(yīng)用以及制備過程復(fù)雜等。同時(shí)，傳統(tǒng)二維蒸發(fā)器常面臨供水不足和水傳輸緩慢的問題。而三維蒸發(fā)器在光熱轉(zhuǎn)換和海水淡化中表現(xiàn)出更高的效率和耐用性，但也面臨機(jī)械強(qiáng)度不足、耐久性差和加工性差等挑戰(zhàn)。因此，設(shè)計(jì)低成本、輕質(zhì)、穩(wěn)定供水通道和長(zhǎng)期耐用的太陽能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)裝置，優(yōu)化光熱材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和蒸發(fā)率，成為亟待解決的問題。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)金琳等研究人員設(shè)計(jì)了一種由碳纖維作為結(jié)構(gòu)支撐材料，殼聚糖氣凝膠作為骨架結(jié)構(gòu)的三維蒸發(fā)器；采用具有二維異質(zhì)界面的MoS₂-MXene作為光熱轉(zhuǎn)換材料，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的存在有效降低了水蒸發(fā)焓，分子動(dòng)力學(xué)充分說明了水分子在不同材料表面逃逸速度快慢。研究結(jié)果表明，該方法所制備的蒸發(fā)器具有優(yōu)異的機(jī)械性能、可規(guī)模化制備、出色的水蒸發(fā)性能及抗鹽特性，具有非常可觀的實(shí)際應(yīng)用前景。

圖1. Janus 1 T MoS₂ -MXene/ CSA/CF（JMMC）蒸發(fā)器的制備工藝的示意圖

圖2. (a) CSA的SEM圖像。（b-c）CSA/CF、MXene/ CSA/CF分別的SEM圖像。(d) MXene單片層的SEM圖像。(e)1T MoS₂- MXene/ CSA/CF的SEM圖像及(e) 其放大圖像。(f)MXene/CSA/CF和1T MoS₂ - MXene/ CSA/CF的實(shí)物數(shù)碼照片。(g)Janus 1T MoS₂ -MXene/ CSA/CF（JMMC）蒸發(fā)器的掃描電鏡圖像。(h)Janus 1T MoS₂-MXene/ CSA/CF（JMMC）蒸發(fā)器的照片（站在一朵花上。(i)Janus 1T MoS₂ -MXene/ CSA/CF的EDS元素分析。

圖3. （a）Janus MoS₂-MXene/ CSA/CF的XPS全譜圖（b）C1s譜圖, （c）MXene/ CSA/CF 和 MoS₂-MXene/ CSA/CF 的 Ti 2p 譜圖（d）MoS₂/ CSA/CF 和 MoS₂-MXene/ CSA/CF 的 Mo 3d 譜圖。

圖4. （a）MoS₂/ CSA/CF和 MoS₂-MXene/ CSA/CF 的XRD圖譜（b）XRD圖譜在5°-20°范圍內(nèi)的放大圖，（c）樣品的傅里葉變換紅外（FTIR）光譜圖 ,（d） MoS₂/ CSA/CF和 MoS₂-MXene/ CSA/CF 的高分辨透射電鏡（HRTEM）圖，（e）靜態(tài)接觸角對(duì)比圖。

圖5. (a)在蒸發(fā)過程中，JMMC蒸發(fā)器的運(yùn)行示意圖。(b)CSA、CSA/CF、MXene/ CSA/CF和JMMC蒸發(fā)器在2 mm/min條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c)干式MXene/ CSA/CF和JMMC蒸發(fā) 器的焦耳加熱實(shí)驗(yàn)。(d)吸水能力試驗(yàn)。

圖6 . (a) CSA、CSA/CF、MXene/ CSA/CF、1T MoS₂ -MXene/ CSA/CF和純水的DSC曲線。(b)水和JMMC的蒸發(fā)焓。(c)CSA和JMMC的保溫性能。

圖7. 分子動(dòng)力學(xué)模擬水在不同表面上的水蒸發(fā)的速率。

圖8 (a)海水和蒸發(fā)水的比電導(dǎo)率和ORP值。(b)連續(xù)太陽蒸發(fā)試驗(yàn)。太陽淡化20 h后JMMC上表面鹽堆積和1太陽(1.0 kW m^{? 2} )。(c)JMMC蒸發(fā)器在不同鹽度下的蒸發(fā)速率和效率。(d)JMMC的循環(huán)蒸發(fā)試驗(yàn)。

圖9. (a)室外蒸發(fā)裝置示圖。(b)蒸發(fā)性能和環(huán)境溫度。(c)不同時(shí)間下的實(shí)際室外蒸發(fā)率。

  本文提出了一種具有 Janus 結(jié)構(gòu)的三維碳纖維增強(qiáng)太陽能驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器，其表面修飾有 1T MoS? - MXene 光熱轉(zhuǎn)換材料。該蒸發(fā)器通過真空輔助灌注工藝（VAIP）制備，以碳纖維為結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料，殼聚糖氣凝膠（CSA）為骨架結(jié)構(gòu)。在水蒸發(fā)過程中，三維結(jié)構(gòu)提供了充足的水傳輸通道。MXene 的存在使水熱過程中產(chǎn)生的 2H MoS?通過離子嵌入部分轉(zhuǎn)化為親水性的 1T MoS?，實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)器親水層內(nèi)的連續(xù)水傳輸。

  原文鏈接：

  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