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長春工大 CEJ:1T MoS2-MXene異質結構修飾的碳纖維基太陽能光熱蒸發器-兼具可靠的機械性能和出色的海水淡化能力
2024-08-29  來源:高分子科技

  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需求的一種有前景的策略。


  傳統海水淡化技術如多級閃蒸、電滲析、反滲透和多效蒸餾等,存在重量大、成本高、淡水生產率相對較低以及蒸發過程中能源消耗大等問題,限制了其大規模應用。近年來,太陽能作為一種可靠、可持續且低成本的綠色可再生資源,吸引了眾多研究者的關注。然而,直接利用太陽能加熱海水產生淡水的效率很低,且會造成大量熱損失。因此,設計一種太陽能驅動蒸發器(SDE),將熱量集中在液氣界面實現高性能蒸發成為當前研究熱點。



  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,如機械性能低、重量大、蒸發率有限、不適合實際應用以及制備過程復雜等。同時,傳統二維蒸發器常面臨供水不足和水傳輸緩慢的問題。而三維蒸發器在光熱轉換和海水淡化中表現出更高的效率和耐用性,但也面臨機械強度不足、耐久性差和加工性差等挑戰。因此,設計低成本、輕質、穩定供水通道和長期耐用的太陽能驅動蒸發裝置,優化光熱材料、結構設計和蒸發率,成為亟待解決的問題。長春工業大學金琳等研究人員設計了一種由碳纖維作為結構支撐材料,殼聚糖氣凝膠作為骨架結構的三維蒸發器;采用具有二維異質界面的MoS2-MXene作為光熱轉換材料,通過數據分析發現異質結構的存在有效降低了水蒸發焓,分子動力學充分說明了水分子在不同材料表面逃逸速度快慢。研究結果表明,該方法所制備的蒸發器具有優異的機械性能、可規模化制備、出色的水蒸發性能及抗鹽特性,具有非常可觀的實際應用前景。


  該論文發表以“Large-Scale carbon Fiber-Based Solar-Driven evaporator with 1T MoS2-MXene Heterostructure: Towards reliable mechanical performance and efficient seawater desalination”為題發表在雜志Chemical Engineering Journal,第一作者為金琳,共同通訊作者為敖玉輝教授,王嵩教授及孫德教授。



1. Janus 1 T MoS2 -MXene/ CSA/CFJMMC)蒸發器的制備工藝的示意圖



2. (a) CSASEM圖像。(b-cCSA/CFMXene/ CSA/CF分別的SEM圖像。(d) MXene單片層的SEM圖像。(e)1T MoS2- MXene/ CSA/CFSEM圖像及(e) 其放大圖像。(f)MXene/CSA/CF1T MoS2 - MXene/ CSA/CF的實物數碼照片(g)Janus 1T MoS2 -MXene/ CSA/CFJMMC)蒸發器的掃描電鏡圖像。(h)Janus 1T MoS2-MXene/ CSA/CFJMMC)蒸發器的照片(站在一朵花上。(i)Janus 1T MoS2 -MXene/ CSA/CFEDS元素分析



3. aJanus MoS2-MXene/ CSA/CFXPS全譜圖(bC1s譜圖cMXene/ CSA/CF 和 MoS2-MXene/ CSA/CF 的 Ti 2p 譜圖(dMoS2/ CSA/CF 和 MoS2-MXene/ CSA/CF 的 Mo 3d 譜圖



4. aMoS2/ CSA/CF和 MoS2-MXene/ CSA/CF XRD圖譜(bXRD圖譜在5°-20°范圍內的放大圖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)靜態接觸角對比圖。



5. (a)在蒸發過程中,JMMC蒸發器的運行示意圖。(b)CSACSA/CFMXene/ CSA/CFJMMC蒸發器在2 mm/min條件下的應力-應變曲線。(c)干式MXene/ CSA/CFJMMC蒸發 器的焦耳加熱實驗。(d)吸水能力試驗。



6 . (a) CSACSA/CFMXene/ CSA/CF1T MoS2 -MXene/ CSA/CF和純水的DSC曲線。(b)水和JMMC的蒸發焓。(c)CSAJMMC的保溫性能。



7分子動力學模擬水在不同表面上的水蒸發的速率。



(a)海水和蒸發水的比電導率和ORP值。(b)連續太陽蒸發試驗。太陽淡化20 hJMMC上表面鹽堆積和1太陽(1.0 kW m? 2 )(c)JMMC蒸發器在不同鹽度下的蒸發速率和效率。(d)JMMC的循環蒸發試驗。



9. (a)室外蒸發裝置示圖。(b)蒸發性能和環境溫度。(c)不同時間下的實際室外蒸發率。


  本文提出了一種具有 Janus 結構的三維碳纖維增強太陽能驅動蒸發器,其表面修飾 1T MoS? - MXene 光熱轉換材料。該蒸發器通過真空輔助灌注工藝(VAIP)制備,以碳纖維為結構增強材料,殼聚糖氣凝膠(CSA)為骨架結構。在水蒸發過程中,三維結構提供了充足的水傳輸通道。MXene 的存在使水熱過程中產生的 2H MoS?通過離子嵌入部分轉化為親水性的 1T MoS?,實現了蒸發器親水層內的連續水傳輸。


  通過多種表征手段對蒸發器進行了分析,結果表明其具有優異的性能。JMMC 蒸發器在200 - 2500nm 范圍內的太陽能吸收效率高達 94%,蒸發焓低至 1556.4kJ·kg?1,有利于水分子在界面的逃逸。在1個日照下,蒸發率為 2.29kg·m?2·h?1,效率為 93.8%。分子動力學模擬證實了 1T MoS? - MXene 異質結構能提高水蒸發速率。此外,該蒸發器機械性能良好,在低電壓下具有出色的焦耳熱效應,能在陰天或室內等環境下實現水蒸發。在海水淡化實驗中,該蒸發器表現出優異的脫鹽性能和抗鹽性,離子濃度大幅降低,符合飲用水標準。室外蒸發實驗也顯示出其在實際應用中的潛力,可收集大量清潔水。總之,該蒸發器在海水淡化和解決飲用水及灌溉資源短缺方面具有巨大潛力。


  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

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(責任編輯:xu)
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