MXene Ti3C2作为高效的二维光热转化材料

自第一次工业革命以来，人类社会的发展突飞猛进，但随之而来的能源与资源危机却与日俱增，以水资源为例，虽然地球表面百分之七十一的面积被水覆盖，然而可供人类以及大部分陆地生物使用的淡水资源却极为有限，仅占整体水量的百分之四。为了满足日益增长的水资源需求，多种科技被源源不断地引入到实际生产与生活中。海洋拥有百分之九十六以上的水资源储备，因此，有效利用海水资源，通过特定的技术与工艺对海水进行淡化处理，以满足日常的生产生活需求，无疑为解决淡水资源不足的严峻问题提供了有效出路。

目前应用最为广泛的海水淡化技术主要局限于蒸馏淡化和反渗透膜技术，然而两者均面临能源消耗大、设备维护成本高、产品价格昂贵等诸多缺点。低耗能、低成本、环境友好型海水淡化科技的需求与日俱增。太阳能可以被看作取之不尽、用之不竭的清洁能源，每天照射到地球上的太阳能相当于全世界一年的能量消耗。太阳光照导致的水蒸发提供了大气环境中90%的水汽，是生物圈中水循环极为重要的环节。人们可将太阳能转化为热能，促进海水的蒸发并收集蒸发产物，即可获得高品质、低价格的淡水资源。

为了获得更高的太阳光-热能转化效率，实现更高效的水蒸发性能，光热转化材料的选择和蒸发装置的设计尤为重要。二维过渡金属碳（氮）化物（Mxene）作为一种新兴的二维材料，其化学组成主要为过渡金属碳（氮）化物，因具有极为出色的电磁波吸收能力，在众多待选材料中脱颖而出。近日，阿卜杜拉国王科技大学海水淡化中心的王鹏教授（点击查看介绍）课题组成功地将MXene引入光热水蒸发中。

为了准确评估光热转化材料的能力，基于能量平衡这一原理的水滴实验用来测量不同光热材料的光能-热能转化效率。实验表明，MXene可以在维持高吸光率的条件下近乎百分之百地将吸收的光能转化为热能，而这一特点是优秀光热材料的必要条件之一。

图1. 测量材料光热转化能力的水滴实验示意图。

由于蒸发作用仅存在于水与空气的界面，以往的研究表明，将光热转化所得的能量限制在界面附近的区域可以大大提高能量利用率，增加光热水蒸发效率。在蒸发装置的设计上，耐腐蚀、高稳定性的聚偏二氟乙烯膜被选为基底，通过真空抽滤法将MXene光热转化材料层层堆叠在基底上，二维材料之间形成的微结构可作为水通道，通过毛细作用将下方的水源源不断抽送到蒸发表面。为了获得更高的蒸发效率，泡沫隔热层被固定在基底下方，使蒸发装置可以自由漂浮在水面上，并在液-气界面积聚热转化所得的能量，高效地促进海水蒸发淡化过程。通过合理的材料选择与设计，这一蒸发装置可以达到百分之八十四的太阳能-水蒸发转化效率，即每平方米光热膜每小时可产出约1.4千克淡水，而能耗却完全来自太阳能，可以称为真正意义上环境友好型的海水淡化工艺。

图2. MXene光热水蒸发的示意图。

这一成果近期发表在ACS Nano 上，文章的第一作者是博士生李任远。

该论文作者为：Renyuan Li, Lianbin Zhang, Le Shi and Peng Wang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

MXene Ti₃C₂: An Effective 2D Light-to-Heat Conversion Material

ACS Nano, 2017, 11, 3752, DOI: 10.1021/acsnano.6b08415

导师介绍

王鹏

http://www.x-mol.com/university/faculty/45866

课题组链接

https://enl.kaust.edu.sa