北京化工大学考研，北京化工大学考研分数线
清洁水和能源是生活、经济发展和社会进步的最基本要素。目前的净水技术主要依赖大量的能源消耗和集中净化设施，无法在欠发达地区和海岛实际应用。为此，开发了一种有前景且可持续的水净化技术-太阳能蒸汽发电，它利用丰富的可再生太阳能生产对环境影响最小的清洁水。水蒸发性能主要取决于太阳能热材料的太阳能热能转换效率和太阳能驱动的水蒸发系统的优化设计。太阳能热转换效应可分为分子的热振动（如碳基材料），非辐射弛豫（如钛基半导体）及贵金属纳米粒子的局域等离子体效应。这些太阳能热材料可用于构建独立的3D多孔结构或位于多孔基板上的太阳能光吸收层，用于捕获和吸收太阳光并增强太阳能驱动的蒸发性能。然而。目前大多数太阳能热能转换材料不能重复用于构建具有可变形状和可图案化表面的太阳能水蒸发器。
鉴于此，北京化工大学于中振教授和李晓锋副教授通过聚苯胺（PANI）辅助自组装GO和MXene片材，制造出具有可变形状和可图案化蒸发表面的可重塑Ti3C2Tx MXene/GO/聚苯胺(PANI) (MGP)塑料杂化物，用于高效的太阳能驱动脱盐海水和废水净化。塑料MGP杂化物的可变形状、可图案化表面和可重复使用性归因于PANI与GO和MXene的强相互作用。得益于亲水性GO和MXene优异的太阳热能转换、MGP的可变形状和可图案化表面以及降低的水汽化焓，具有平坦和凹面金字塔表面的可图案化MGP蒸发器在1-sun照射下的平均水蒸发率分别高达2.89和3.30 kg m-2 h-1。当塑料MGP成型为花形蒸发器时，在1-sun照射下实现了≈3.94 kg m-2 h-1的出色蒸发率和≈135.6%的卓越蒸发效率。可重复使用的MGP蒸发器在从海水和废水中产生清洁水方面非常高效，离子排斥率接近100%。塑料MGP混合物的出色性能、可图案化表面、可再成型性和可重复使用性以及可扩展的制造工艺使其有望用于高效的太阳能海水淡化和废水净化。相关工作以“Reshapable MXene/Graphene Oxide/Polyaniline Plastic Hybrids with Patternable Surfaces for Highly Efficient Solar-Driven Water Purification”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。
MGP塑料杂化物的制备及表征
基于Ti 3C 2T x MXene片材优异的太阳能热能转换能力和GO片材的高胶凝能力，在环境温度下通过PANI辅助静电自组装制备塑料MGP杂化物的过程（图1）。MXene/PANI混合体的TEM图像表明，PANI组分形成在MXene的表面上（图2）。定向冻结的MGP形成局部对齐结构，通道宽度为2-3 µm。由于MGP的高密度 (≈0.8 g cm -3)，在定向冷冻过程中，MGP内部仅实现了局部有序取向。对齐的结构有利于MGP内部的水传输，从而有利于太阳能蒸汽的产生（图3）。塑料MGP混合材料可以重复使用并重新塑造成各种形状，以生产具有可控形状的独立式太阳能热能转换架构。通过使用不同的模具或手成型，MGP可以成型为各种形状的雏菊、玫瑰和任意形状。
图1用于太阳能蒸汽发电的MGP塑料杂化物的制备示意图
图2 MXene/PANI混合物的TEM图像及相互作用表征
图3具有局部对齐结构的MGP的SEM图像
MGP杂化物的蒸发率及图案化
MGP在250-2500 nm的波长范围内具有超过96%的宽吸收率，在整个太阳光谱范围内表现出强吸收（图4）。通过记录60分钟内的水质量变化来评估具有不同MXene和GO质量比的MGP的蒸发性能。具有平坦表面的MGP5-5的最佳水分蒸发率为2.89 kg m-2 h-1，其对应的蒸发效率达到94.7%。塑料MGP的表面可以模制成不同的图案。MGP5-5的顶面具有许多凹金字塔图案，不仅表现出更高的蒸发率（3.30 kg m-2 h-1)也具有高达109.5%的蒸发效率。与报道的具有平坦表面的太阳能蒸汽蒸发器相比，GP和具有凹棱锥表面的MGP在1-sun照射下的蒸发效率均超过100%。此外，可以在塑料MGP的顶面冲压凹球和凹锥图案（图5），也可以通过硅橡胶模具成型获得花状表面。MGP的成型和表面图案化增加了太阳光吸收面积并增强了太阳能吸收。所有表面图案化的MGP蒸发器都具有超过 3 kg m -2 h -1的蒸发率。特别是，投影面直径≈16 mm的花状MGP蒸发器表现出≈3.94 kg m-2 h-1的出色蒸发率，1太阳下蒸发效率≈135.6%辐照。
图4 1-sun照射下太阳能蒸汽产生前后MGP的红外图像及蒸发效率
图5塑料MGP的顶面冲压凹球和凹锥图案
塑料MGP混合体的仿真模拟和应用
实施多物理场模拟以模拟塑料 MGP 混合体中的温度和水流速度分布。根据模拟结果，蒸发面的热量只能向下传递到很短的距离，大部分热量用于蒸发水（图6）。凹形金字塔结构上的温度和水张力场具有梯度分布，导致具有凹形金字塔图案的蒸发表面上的高水流速。多物理场仿真结果表明在平面和凹棱锥表面上都存在弱和缓慢的水流。为了检查塑料MGP混合体的重复成型对其水分蒸发性能的影响，在MGP5-5进行3小时的太阳能热水蒸发后，对其进行整形并再次评估其太阳能蒸汽产生性能（图7）。中国黄海天然海水在1日光照射下的淡化。显然，海水中Na+、Mg2+、K+和Ca2+的盐离子浓度在净化水中显着降低，脱盐率高达≈99.9%。
图6塑料MGP混合体的仿真模拟
图7 MGP混合体重复成型对其水分蒸发性能的影响
小结：作者开发了具有可变形状和可图案化表面的塑料MGP混合体由GO和MXene的PANI辅助组装制造，用于高效太阳能驱动的海水和废水净化。具有平坦蒸发表面的圆柱形MGP显示出2.89 kg m -2 h -1的高蒸发率，在1-sun照射下蒸发效率为94.7%。在蒸发面上成型凹金字塔图案后，MGP的水蒸发率提高了3.30 kg m -2 h -1蒸发效率为109.5%。将塑料MGP成型为花形蒸发器后，它表现出≈3.94 kg m -2 h -1的优异蒸发率，在1-sun照射下具有≈135.6%的卓越蒸发效率。可变形MGP蒸发器通过淡化海水和净化废水来高效生产清洁水。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202110636
来源：高分子科学前沿
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