博文

Green Carbon|江苏大学潘建明教授、李浩教授：MXene基复合材料破解太阳能水蒸发稳定性难题，助力高效净水革命

已有 439 次阅读 2025-12-9 18:37 |个人分类:Green Carbon|系统分类:科研笔记

英文原题：Recent advancements and assessments in MXene-based composites stability for efficient solar-heating water evaporation: A systematic and comprehensive review

作者：Abdul Haleem , Mohib Ullah , Laraib Kiran , Wu Fan , Jianming Pan* , Hao Li*

01 论文信息

论文信息

Haleem A, Ullah M, Kiran L, etal. Recent advancements and assessments in MXene-based composites stability for efficient solar-heating water evaporation: A systematic and comprehensive review[J].Green Carbon,2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.01.001

论文下载

Recent advancements and assessments in MXene-based composites stability for efficient solar-heating water evaporation: A systematic and comprehensive review

中文解读原链接

Green Carbon文章 | 江苏大学潘建明教授、李浩教授：MXene基复合材料破解太阳能水蒸发稳定性难题，助力高效净水革命

02 背景简介

微信图片_2025-12-09_182545_774.png

在全球水资源短缺与能源危机的双重挑战下，太阳能驱动的水蒸发技术（PWE）因其环保、低成本的特点成为了研究热点。然而，传统材料的低效性与易氧化问题长期制约其应用。MXene，作为二维过渡金属碳化物/氮化物，凭借其卓越的生物、光电、机械和化学特性，展现出卓越的光热性能。但其易氧化特性（尤其在潮湿环境中）严重限制了实际应用。因此，稳定的MXenes对其在光热水蒸发中的长期应用至关重要。

近期，江苏大学潘建明教授和李浩教授于Green Carbon期刊发表题为“Recent advancements and assessments in MXene-based composites stability for efficient solar-heating water evaporation: A systematic and comprehensive review”综述文章，重点探讨了通过引入聚合物、木材及碳材料等，显著提升了MXenes光热转换效率与氧化稳定性，从而提升其在光热水蒸发系统中的性能，还深入探讨了MXene基复合材料的开发，探索了与其在光热水蒸发中的作用相关的关键因素和机制，为下一代净水技术提供了新思路。

03 文章简介

MXene—光热转换的“黑马材料”

MXene（过渡金属碳/氮化物）凭借其独特的层状结构、高导电性和宽光谱吸收能力（300-2500 nm），理论光热转换效率接近100%。然而，其暴露空气易氧化的问题长期制约实际应用。如图1所示，光热蒸发效率受材料孔隙度、亲水性、功能基团、热稳定性等多因素影响。因此，MXene复合材料通过优化这些参数，可显著提升其整体性能。

微信图片_2025-12-09_182635_005.jpg

图1. 光热蒸发关键影响因素

MXene—稳定性难题的破解之道

近年来，研究者通过将MXene与一些材料进行复合，可以有效解决其氧化问题，并优化了光热性能：

聚合物涂层：亲水聚合物涂层（如PAM、PVA）：通过氢键与MXene结合，形成3D多孔水凝胶，提升复合材料的机械强度，并降低蒸发焓。疏水聚合物涂层（如PDMS）：通过物理阻隔盐离子，避免蒸发器表面结垢，从而确保长期稳定运行。研究者发现疏水MXene蒸发器在20%盐水中连续工作12小时无堵塞，如图2所示。

木材：利用天然多孔结构促进水分传输，降低热损失，且木材的生物相容性简化了生产工艺低成本高性能载体。例如，去木质素木材（DW）的定向孔道可加速水传输，MXene/木材气凝胶蒸发速率达2.0 kg m-² h-¹，效率达到了92.6%。而且，其天然孔隙结构还可通过冷冻干燥进一步优化。

碳材料：利用MXene与石墨烯氧化物GO、碳纳米管CNT等碳材料复合，可通过π-π相互作用与MXene结合，形成抗氧化屏障，同时提升光吸收效率。研究发现MXene与rGO、CNTs复合后，光吸收率提升至93.5%。ZIF-67@MXene/rGO蒸发器更是创下3.81 kg m-² h-¹的超高蒸发速率与153.7%能量效率，盐耐受性达99.8%。

微信图片_2025-12-09_182642_307.png

图2. 盐结晶抑制机制提升MXene复合材料的稳定性

瓶颈与挑战

尽管MXene基材料在众多领域展现出广泛的应用潜力，但将其应用于光伏水蒸发（PWE）技术中仍处于初级阶段。理论研究虽已揭示了MXene的巨大潜能，然而实验进展与实际应用的步伐却显得相对缓慢。以下是利用MXene复合材料作为蒸发器时遭遇的关键难题，以及针对这些限制可能采取的解决策略。

规模化生产瓶颈：传统氟化物蚀刻法因安全与环保问题制约工业化规模生产。建议通过开发碱基蚀刻、熔盐蚀刻或电化学蚀刻等绿色合成技术突破产业化障碍。

健康与环境风险管控：氢氟酸合成工艺存在显著健康威胁与生态风险。可替代方案包括采用无氟低毒蚀刻技术，如路易斯酸熔盐蚀刻法或弱酸原位产氢氟酸工艺，在保证合成效率的同时降低风险等级。

成本优化路径：复杂工艺和高昂成本限制技术普及。建议开发可持续的低成本生产体系，例如可扩展的卷对卷制造工艺，通过流程优化提升商业化可行性。

材料体系拓展：当前研究过度集中于Ti₃C₂、Mo₂C等典型MXene。需加强钒基MXene和双过渡金属MXene等新型材料研究，通过原子结构调控和表面终端优化开发高性能光热材料。

稳定性提升方案：MXene易氧化特性影响器件耐久性。可通过构建疏水聚合物保护层（如聚吡咯涂层）和表面功能化修饰等抗氧化技术，显著增强材料的环境稳定性。

界面盐沉积控制：表面盐结晶导致效率衰减问题。建议设计具有自清洁功能的仿生界面，通过构建多级微纳结构，协同调控亲/疏水区域分布，实现阻盐性能与水传输的优化平衡。

这些技术创新方向将共同推动MXene光热蒸发器从实验室研究向实际应用转化，为可持续水处理技术发展提供新范式。

总结及展望

MXene复合材料正掀起太阳能净水技术的革新浪潮。这篇综述揭示了MXene复合材料在太阳能水蒸发领域的巨大潜力，其稳定性突破为解决全球水资源危机提供了创新路径。随着工艺优化与规模化生产的推进，通过跨学科协同创新，这一“材料黑科技”有望为缺水地区带来可持续的淡水解决方案，有望成为下一代清洁水技术的核心。

04 文章摘要

Abstract

MXenes, an extensive family of two-dimensional materials, have attracted significant attention across diverse fields owing to their exceptional biological, optoelectronic, mechanical, and chemical properties, enabling their application in numerous fields. Among these, photothermal water evaporation has emerged as a particularly promising approach in wastewater treatment, driven by the escalating demand for fresh and pure water. Despite the development of various evaporators to address water scarcity, challenges such as low evaporation efficiency and limited scalability hinder their practical implementation. Over the past decade, MXenes have gained substantial interest owing to their unique elemental composition, porous structure, and surface terminations, which result in remarkable physical and chemical properties that depend on their synthesis methods. However, a key challenge in leveraging MXenes lies in their inherent instability, as they are prone to rapid oxidation upon exposure to air. Stabilizing pristine MXenes is, therefore, critical for their long-term application in photothermal water evaporation. This review highlights strategies to enhance the oxidation stability of MXenes through the incorporation of protective materials such as polymers, delignified wood, and carbonaceous compounds, thereby improving their performance in photothermal water evaporation systems. Furthermore, this review delves into the development of MXene-based composite materials, exploring factors and mechanisms pertinent to their role in photothermal water evaporation. This comprehensive analysis provides valuable insights for researchers and practitioners in the field of wastewater treatment.

05 作者简介

潘建明教授

潘建明，江苏大学化学化工学院院长，二级教授，国家优秀青年基金获得者。长期从事分子印迹强化辨识分离，主持国家自然科学基金联合重点项目等国家级科研项目8项，以第一/通讯作者在Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Chem. Eng. J.等期刊发表SCI论文250余篇，授权国家发明专利40余项(转让24项)，授权PCT专利5项，获得江苏省科技进步二等奖1项、中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖1项，主编专著《分子印迹技术及其研究进展》和《现代分子印迹辨识技术》2部。

微信图片_2025-12-09_182658_683.png

李浩教授

李浩，江苏大学化学化工学院教授、博士生导师。主要研究方向包括辨识分离工程和战略金属的分离回收，以第一/通讯作者在Chem. Eng. J.、J. Hazard. Mater.、Green Chem.、J. Mater. Chem. A、Sep. Purif. Technol.、ACS Sustain. Chem. Eng.等期刊上发表SCI论文60余篇，参编教材1部，授权国家发明专利5件。主持国家自然科学基金面上、青年基金，江苏省自然科学基金等科研项目10余项，江苏省化学化工学会色谱与分离专委会委员，担任Green Carbon、Rare Metals、Exploration、《化工学报》、《化工进展》、《稀有金属》等多个期刊编委或青年编委。