太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)技術(shù)是利用太陽能進(jìn)行高效蒸發(fā)的新型技術(shù)，因具備零碳排、高能效及模塊化的優(yōu)勢(shì)，已成為可持續(xù)淡水生產(chǎn)的有效解決方案。中國科學(xué)院過程工程研究所研究員王鈺團(tuán)隊(duì)在太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)研究方面取得進(jìn)展，研發(fā)出以一維Ti2AlSnC MAX相納米纖維膜為光熱層的光熱蒸發(fā)器。實(shí)驗(yàn)表明，該蒸發(fā)器可實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高鹽度廢水等極端環(huán)境下高效、穩(wěn)定利用太陽能生產(chǎn)淡水。

在全球淡水資源短缺與“雙碳”目標(biāo)推動(dòng)下，太陽能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)技術(shù)在食物、能源和水處理等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。然而，傳統(tǒng)光熱材料對(duì)極端環(huán)境適應(yīng)性不足，化學(xué)穩(wěn)定性差、多功能性缺失及結(jié)構(gòu)剛性等問題導(dǎo)致蒸發(fā)性能迅速下降，制約其實(shí)際應(yīng)用。

該研究引入具有金屬與陶瓷雙重特性的MAX相材料。MAX相是新型功能性陶瓷材料，兼具陶瓷的高硬度、耐高溫、耐腐蝕以及金屬的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐輻射性。研究通過調(diào)控A位元素（Sn/Al）固溶體，共型合成一維Ti2AlSnC納米纖維膜。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該材料具備超90%的寬光譜吸收率和高效光熱轉(zhuǎn)換能力，展現(xiàn)出優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性與機(jī)械柔韌性，可在pH<1的強(qiáng)酸環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行30天，保持2.8 kg m-2h-1的穩(wěn)定蒸發(fā)速率。

研究表明，Ti2AlSnC納米纖維的親水性表面及多孔結(jié)構(gòu)降低了水蒸發(fā)焓，形成易于蒸發(fā)的“中間水”簇，能夠提升蒸發(fā)性能。研究基于這一纖維材料，設(shè)計(jì)多種蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)以減少能耗，并結(jié)合焦耳加熱模塊協(xié)同調(diào)控?zé)峁芾?，進(jìn)一步解決光熱蒸發(fā)技術(shù)對(duì)光照條件的依賴。實(shí)驗(yàn)中，在低光照或無光條件下，僅需小于3 V的低電壓輸入即可實(shí)現(xiàn)全天候淡水生產(chǎn)，蒸發(fā)速率最高達(dá)5 kg m-2?h-1。同時(shí)，通過表面疏水改性與幾何非對(duì)稱設(shè)計(jì)，這一蒸發(fā)器可有效抑制鹽結(jié)晶堆積，在20 wt%高鹽度廢水中仍維持高效脫鹽性能。經(jīng)檢測(cè)，產(chǎn)水水質(zhì)符合世界衛(wèi)生組織飲用水標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)一步，研究還開發(fā)了短切纖維懸浮液涂覆技術(shù)，使這一材料可適配剛性和柔性基底，拓展了其在定制化光熱器件中的應(yīng)用場(chǎng)景。

上述研究有助于解決極端環(huán)境下光熱材料穩(wěn)效性的難題，有望為工業(yè)高鹽廢水處理、海水淡化和緊急救災(zāi)等場(chǎng)景提供可持續(xù)解決方案。

4月22日，相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Nano上。研究工作得到北京市自然科學(xué)基金等的支持。

一維Ti2AlSnC MAX相的制備及性能