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山東大學王志寧教授團隊 Nano Lett.：基于MXene與TA-Fe3+協同效應的水凝膠界面工程膜用于穩健光熱膜蒸餾脫鹽

2024-01-07 來源：高分子科技

近年來，界面自加熱型光熱膜蒸餾（PMD）成為海水淡化和高鹽廢水處理領域的頗具前景技術，對于建立可持續的水-能源-環境關系具有重要意義。然而，低淡水產率和膜污染、膜潤濕等瓶頸嚴重影響了該工藝效率，制約了其進一步發展與應用。構筑兼具高光熱轉化效率及抗污染、抗潤濕特性的理想PMD膜，成為該領域面臨的重要挑戰之一。

近期，山東大學環境科學與工程學院王志寧教授團隊開發了一種光熱水凝膠界面工程膜，將具有優異光熱轉化特性的MXene納米片與先進水凝膠材料有機結合，實現PMD過程的高淡水產率、優異的抗污染和耐久性。首先，將Ti₃C₂T_x MXene納米片添加到聚乙烯醇/單寧酸（PVA/TA）水凝膠前驅體中，然后噴涂在表面親水改性的聚四氟乙烯（H-PTFE）基底上，進一步利用Fe³⁺與TA絡合對水凝膠網絡進行離子交聯，制備得到光熱水凝膠復合膜P/T/M-Fe-PTFE（圖1）。

圖1 光熱水凝膠界面工程膜制備及表征

利用Ti₃C₂T_x MXene納米片（等離子體共振效應）和TA-Fe³⁺配位網絡（熱振動）之間的協同光熱效應，可實現充分的界面自加熱，膜表面平衡溫度高于含單一光熱組分的水凝膠復合膜。1個太陽光下，該光熱膜滲透通量高達1.71 kg m^?2 h^?1，太陽能利用效率為72.0%（圖2）。得益于水凝膠層的強水合作用和復合膜液體進入壓力的提高，所制備的復合膜能夠有效抵抗由表面活性劑引發的膜潤濕和由油滴引發的膜污染，在50 h運行過程中保障高滲透通量和截鹽率，顯著延長了膜在處理含復雜組分高鹽廢水時的壽命。此外，基于多重氫鍵相互作用和多酚-金屬離子配位作用，該復合膜在實際海水淡化過程中，表現出優異的耐久性，100 h內平均滲透通量為1.50 kg m^-2 h^-1，電導率低至2.53 μS cm^-1。此外，高離子脫除率（如硼截留率高達99.24%）表明所開發的水凝膠復合光熱膜在生產符合標準的飲用水方面具有巨大潛力（圖3）。

圖2 MXene與TA-Fe³⁺協同光熱增強機制及不同光熱膜性能對比

圖3 P/T/M-Fe-PTFE光熱膜蒸餾綜合性能評價

這項工作證明了光熱水凝膠復合膜能夠用于可持續太陽能膜蒸餾過程，為后續利用其他光熱材料協同提高膜蒸餾性能提供了參考。其制備方法簡單可放大，具有較高的推廣開發價值，有望用于低能耗海水淡化和高鹽廢水處理過程，助力緩解淡水資源危機。

該工作以“Synergistic Effect of Ti₃C₂T_x MXene Nanosheets and Tannic Acid–Fe³⁺ Network in Constructing High-Performance Hydrogel Composite Membrane for Photothermal Membrane Distillation”為題發表在《Nano Letters》上。該論文第一作者是山東大學張娜博士后，通訊作者為王志寧教授。該研究得到國家自然科學基金、中國博士后基金、山東省博士后創新項目、山東省自然科學基金等項目的資助和支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04159

下載：Synergistic Effect of Ti₃C₂T_x MXene Nanosheets and Tannic Acid–Fe³⁺ Network in Constructing High-Performance Hydrogel Composite Membrane for Photothermal Membrane Distillation

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（責任編輯：xu）

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