一、研究背景：

目前全球约2/3的人口面临着不同程度的水资源匮乏问题,清洁淡水资源的短缺严重制约了世界上部分国家和地区的发展,并影响了人类的生存环境和用水安全。近年来发展的太阳能界面水汽转换技术（Interfacial Solar Steam Generation, ISSG）利用绿色的太阳能作为热源，通过光热转换并将热限制在水气界面上以高效产生蒸气，然后经过冷凝收集获得清洁水，因此ISSG是一种高效、绿色、低成本进行海水淡化和废水处理的方法，受到了科研界和工业界的广泛关注。设计和构筑具有强光吸收的光热转换材料是 ISSG 的技术核心，目前已经开发出基于碳材料、石墨烯、导电聚合物、贵金属纳米颗粒和Ti3C2-Mxene等多种光热转换材料，其中Ti3C2-Mxene是一种新型二维碳化钛材料，具有比表面积大、水分散性好和光热转换效率高等优点，在ISSG领域表现出了巨大的应用潜力，也是近年来太阳能水汽转换领域的研究热点。然而目前关于Ti3C2-Mxene在 ISSG领域的综述文章还非常少。

二、文章简介：

华南师范大学张振和唐彪首先介绍了ISSG技术，总结了ISSG中光热转换材料的设计原则，通过实例分析了光热转换材料的设计原则在ISSG中的具体应用；然后介绍了MXene材料，并讨论了MXene在ISSG中的应用；重点论述了Ti3C2-Mxene复合材料在ISSG领域的研究进展，主要包括二维Mxene薄膜、三维Mxene气凝胶和水凝胶、生物基-Mxene复合材料的构筑和性能等；最后分析了Ti3C2-Mxene所面临的挑战和发展前景。相关综述已在《化学进展》（Progress in Chemistry）上发表。

三、文章内容：

1、太阳能界面水汽转换简介

太阳能水汽转换技术是一种绿色水处理技术，其利用太阳能加热促进水蒸发，然后将水蒸气冷凝后收集，从而实现海水淡化或废水处理，可替代传统高耗能的膜法和热法。传统的太阳能海水淡化方法有两种：一种是直接蒸馏，即利用太阳光直接照射并加热海水，促进海水蒸发，然后再通过冷凝收集蒸气，从而获得淡水；另一种是利用太阳能集热器或加热管，将海水加热到一定温度后，放入闪蒸或低温多效蒸馏系统，获得淡水。太阳能水汽转换技术是热法技术的引申，其利用太阳能作为热源，具有成本低和绿色环保等优点。然而，地球表面上太阳能的能量密度有限，传统太阳能水汽转换技术对整个水体进行加热，加热效果不理想，而且往往需要加入价格昂贵的高倍率聚光器才能 保证效率。最近几年发展的ISSG技术通过设计光热材料，将太阳能转换的热限制在水气界面上，主要对水气界面的水进行加热，减少了热的散失，大大提高了太阳能水汽转换效率，是目前最具前景的海水淡化和废水处理技术之一。

2、Ti３C２ 在太阳能界面水汽转换的研究进展

目前，Ti3C2-Mxene应用于ISSG领域主要有三种方式，二维薄膜、三维气凝胶或水凝胶以及生物基材料。

二维薄膜的制备方法大致可分为浸涂烘干法、过滤法和其他成膜方法。

图1.（a）抗菌Ti3C2-Mxene/纤维素薄膜；（b）由PS和CMF组成的材料体系；（c）１ Sun下纯水、rGO/纤维素薄膜和Ti3C2-Mxene/纤维素薄膜的水蒸发速率和光热水汽转换效率；（d）不同光照强度下Ti3C2-Mxene/纤维素薄膜的水蒸发速率和光热水汽转换效率；rGO/纤维素薄膜和 Ti3C2-Mxene 纤维素薄膜对大肠杆菌（ｅ,ｇ）和金黄色葡萄球菌（f, g）的抗菌效果。

图2. （a）疏水ｄ-Ti3C2膜的制备过程和（b）材料体系结构，亲、疏水ｄ-Ti3C2膜经过24h海水淡化前（c，e）和后（d，f）的照片；亲水（g）和疏水ｄ-Ti3C2膜（h）太阳能海水淡化过程；（i）海水淡化前后四种主要离子浓度的变化；（j）有机溶液和重金属离子的净化效率。

图3. （a）Janus VA-MXA的制备过程；Janus VA-MXA的（b）俯视、（c）侧视和（d）断面图像；（e）Janus VA-MXA上层的SEM图像 。

图4.（a）仿生三维球形结构的太阳能界面水汽转换材料；（b）Co3O4/Ti3C2-Mxene光吸收层的制备图；(ｃ)１ Sun光强照射下，不同光照角度的三维CM 0.1/织物球体的水分蒸发重量随时间的变化；（d）二维和三维结构的水汽转换材料的水蒸发速率及相较于空白样品相应效率增强因子；（e）蒸发前模拟海水及冷凝水中Na+的重量百分比（１.４ wt%、3.5 wt%、4.1 wt%）；（f）模拟的废水净化表现：ＭＯ（464 nm）和MB（663 nm）的吸收峰在冷凝水中消失；（g）ICP测定的重金属离子污水和冷凝水中Cu+2、Pb+2、Cd+2的离子浓度；（h）在 １ Sun光强照射下，对三维 CM-0.1/织物球体进行循环太阳蒸发测试。 

3、发展前景和挑战

随着工业化和城市化的发展，淡水资源紧缺的问题日益严重，已成为限制区域发展的重要因素之一。南水北调作为国家战略性工程，是我国也是迄今世界上最大的水利工程，总投资额超过5000亿元，惠及人口达4.38亿，其主要目的是解决我国北方地区的淡水资源匮乏的问题。世界上众多国家和地区都不同程度面临着水资源匮乏的问题，太阳能界面水汽转换技术提供了一种可持续、高效、低成本海水淡化和污水处理的方法。Ti3C2-Mxene作为一种新兴的二维纳米材料，由于其突出的光热转换效应，在ISSG领域具有巨大的应用潜力，近年来受到了极大的关注，也取得了许多非常具有启发性的成果。然而 Ti3C2-Mxene在ISSG领域仍面临着一些挑战。（1）Ti3C2-Mxene二维薄膜通常机械性能有限，这大大限制了Ti3C2-Mxene二维薄膜的应用范围，如进行仿生结构的变形。（2）Ti3C2-Mxene稳定性差，容易被氧化。(３) 制备ISSG材料的过程中，由 于 Ti3C2-Mxene固有的高表面能和界面的范德华力作用，刻蚀脱层的Ti3C2-Mxene纳米片不可避免地会发生不可逆的重新堆积。（4）Ti3C2-Mxene遇水时会在水中会膨胀，膨胀Ti3C2-Mxene的层间距不可避免地会增大，这大弱化了其阻隔离子透过和盐阻隔的能力，损害材的去离子性能。（5）Ti3C2-Mxene水凝胶的中间水含量有待提高，如何有效地提高Ti3C2-Mxene水凝胶的中间水含量也是一个挑战。(６)尽管刻蚀制备Ti3C2-Mxene的方法很多，但前Ti3C2-Mxene主要在实验室规模生产，还没有现量产，再加上 Ti3C2-Mxene的制备成本高，这些限无疑阻碍了Ti3C2-Mxene制备的ISSG材料商化。

四、总结与展望：

太阳能界面水汽转换技术作为一种新兴的海水淡化和污水处理方法，利用分布广泛、清洁的太阳能作为能源，通过光吸收材料的光热转换，将太阳能转换来的热限制在水界面，大大减少了热的散射，显著提高了光热水汽转换的效率。ISSG技术是一种低成本、高效、清洁的海水淡化和污水处理方法，有望缓解淡水资源短缺的压力，因此近年来受到科研界和工业界的广泛关注。其中，光热材料体系的设计和构筑是ISSG技术的核心和关键，目前已经发展出基于金属纳米粒子、氧化石墨烯、导电聚合物和Ti3C2-Mxene的二维薄膜或三维复合材料。相比其他光热转换材料，Ti3C2-Mxene具有类似石墨烯的二维纳米片装结构，而且具有光热转换效率高、导电性能好、表面易改性等优异物化性能，其在ISSG领域具有较高的应用前景。目前已经开发出多种Mxene复合材料应用于ISSG，包括二维Mxene复合膜、三维Mxene气凝胶和水凝胶、生物基Mxene 复合材料以及仿生Mxene复合材料等，Ti3C2-Mxene复合材料是目前报道的光热水汽转换效率最高的材料之一。但是Ti3C2-Mxene材料应用于ISSG领域仍有非常大的发展空间，如可利用Ti3C2-Mxene材料的丰富表面化学特性进行化学改性，解决稳定性差、中间水含量需进一步提升以及易团聚等问题，或结合生物基材料以应对成本高的限制，最终实现Ti3C2-Mxene材料在ISSG领域的商业化。

Authors: Yousen Xu, Zhen Zhang*, Biao Tang* and Guofu Zhou

Title: Ti3C2-MXene for Interfacial Solar Steam Generation

Published in: Progress in Chemistry, doi: 10.7536/PC200955.

来源：《化学进展》2021年第33卷11期。

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