蒸發(fā)材料1210丨東華大學IJBM論文：海藻酸鈉集成的MXene沉積物/Fe?O?蒸發(fā)器用于耐鹽高效連續(xù)水蒸發(fā)

蒸發(fā)材料

近日，國際期刊 《International Journal of Biological Macromolecules》 在線發(fā)表了題為 《Sodium alginate-integrated MXene sediment /Fe?O? evaporator for salt-resistant and efficient continuous water e vaporation》 的研究性論文 。 該研究開發(fā)并系統(tǒng)評估了一種由廢棄MXene沉積物、四氧化三鐵、海藻酸鈉和三聚氰胺泡沫構(gòu)建的低成本復合三維太陽能蒸發(fā)器。通過將親水性海藻酸鈉與光熱材料（MXene沉積物/Fe?O?）結(jié)合并負載于多孔三聚氰胺泡沫骨架，成功構(gòu)建了具有連續(xù)供水通道和抗鹽擴散結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器。文章深入探討了其制備過程、微觀結(jié)構(gòu)、光熱轉(zhuǎn)換機制、水傳輸行為、抗鹽性及其在高效海水淡化和復雜廢水處理中的性能。

分子動力學模擬結(jié)果進一步證實了海藻酸鈉中親水基團（-OH、-COO?）對水分子狀態(tài)的調(diào)控，顯著降低了蒸發(fā)焓（1776.5 J·g?1），提升了蒸發(fā)效率。長期室外實驗與鹽沉積測試表明，該蒸發(fā)器在7小時連續(xù)運行中無鹽結(jié)晶積累，具備良好的實際應用潛力。《International Journal of Biological Macromolecules》是生物大材料與綠色能源交叉領域的重要期刊，在生物基材料、界面工程與環(huán)境應用方面具有廣泛影響力。

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太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)（SDIE）已成為緩解淡水危機的可行方法，因為它能有效利用綠色環(huán)保的太陽能等優(yōu)勢。然而，在大規(guī)模海水淡化中，實現(xiàn)成本效益、耐鹽性和運行穩(wěn)定性仍然是蒸發(fā)器技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)。本研究采用天然多糖海藻酸鈉（SA）包覆低成本的MXene沉積物（MS）和Fe?O?納米顆粒，并通過簡單的浸泡方法將其負載到三聚氰胺泡沫（MF）基底上，制備了一種低成本、耐鹽、高效的太陽能蒸發(fā)器。所得Fe?O?/SA/MS/MF（FSMM）蒸發(fā)器能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的海水凈化。得益于MF的骨架結(jié)構(gòu)和孔隙率，F(xiàn)SMM表現(xiàn)出優(yōu)異的親水性、耐鹽性和抗收縮性。在一個太陽光強照射下，蒸發(fā)速率達到2.26 kg·m?2·h?1；即使在15 wt%的NaCl溶液中，仍能保持1.94 kg·m?2·h?1的相對較高蒸發(fā)速率 。 此外，F(xiàn)SMM可應用于多種環(huán)境，例如含有染料廢水和酸堿廢水的環(huán)境。因此，本研究充分利用了MS和Fe?O?的低成本以及SA的親水性，為解決蒸發(fā)器遇到的鹽積累等挑戰(zhàn)提出了一個切實可行的方案。

面對全球人口增長與氣候變化加劇的淡水資源危機，海水淡化成為關(guān)鍵出路，但傳統(tǒng)技術(shù)如反滲透能耗巨大、成本高昂，難以可持續(xù)推廣。太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)以其綠色、低成本的特性成為研究熱點，但其邁向大規(guī)模應用仍受制于兩個核心瓶頸：一是蒸發(fā)器在長期運行中普遍面臨的鹽分結(jié)晶堵塞問題；二是高性能光熱材料（如純相MXene）的制備成本過高。針對這些挑戰(zhàn)，本研究提出了一種創(chuàng)新的材料與結(jié)構(gòu)協(xié)同設計策略：我們巧妙地回收利用MXene蝕刻過程中通常被廢棄的下層沉積物，這種沉積物含有未反應的前驅(qū)體與多層MXene碎片，仍保留良好的光熱性能，從而將“廢物”轉(zhuǎn)化為低成本核心原料；同時，我們選擇高孔隙率、機械性能優(yōu)異的三聚氰胺泡沫作為剛性骨架，并利用天然多糖海藻酸鈉對其進行親水功能化修飾與結(jié)構(gòu)加固。 通過將上述材料復合，我們旨在構(gòu)建一種集寬光譜高效吸光、快速水傳輸、主動抗鹽與優(yōu)異結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性于一體的新型三維蒸發(fā)器，為解決太陽能海水淡化中的成本、效率和耐久性難題提供一個切實可行且環(huán)境友好的解決方案。

• 展現(xiàn)出卓越的抗鹽性能，能有效緩解鹽結(jié)晶沉積問題。
  

• 通過回收利用MXene沉積物，顯著降低蒸發(fā)器成本，提升經(jīng)濟效益。
  

• 蒸發(fā)速率高達2.26 kg·m?2·h?1，蒸發(fā)效率達到127.24%。
  

• 解決了氣凝膠在水中易發(fā)生孔道塌陷和結(jié)構(gòu)收縮的問題。

圖1.FSMM蒸發(fā)器制造工藝流程圖。

圖2.(a)、(b)不同倍率下的FSMM的掃描電子顯微鏡圖像。(c)FSMM氣凝膠中每種元素的電子能譜圖。

圖3.(a)顯示了FSMM的X射線衍射圖。(b)對SM、SMM和FSMM的FTIR光譜表示不滿。(c)分別顯示了(d)、(e)和(f)FSMM的O1s、C1s和F1s的高分辨光譜。

圖4.(a)、(b)、(c)和(d)分別是MF、SM、FSM和FSMM的接觸角測量圖像。

圖5.(a)顯示了FSMM和純水的DSC曲線。(b)分別顯示了MF、SMM和FSMM的UV-Vis-NIR光譜。(c)FSMM的熱重曲線。(d)顯示了蒸發(fā)過程中在1太陽光照強度下輻照前后FSMM蒸發(fā)器的溫度變化。(e)蒸發(fā)實驗裝置示意圖。(f)說明了在1太陽光照強度下，純水、FSMM以及純水、MF、SM和FSMM對蒸發(fā)性能的影響。(g)不同蒸發(fā)面積對FSMM蒸發(fā)速率的影響。

圖6.(a)顯示了不同高度對FSMM蒸發(fā)性能的影響。(b)繪出了不同太陽光照強度下FSMM蒸發(fā)率的變化曲線。(c)FSMM和相關(guān)蒸發(fā)器的蒸發(fā)速度和效率的比較。(d)展示了不同濃度的氯化鈉溶液對FSMM蒸發(fā)性能的影響。(e)FSMM的耐鹽機理示意圖。(f)蒸發(fā)器在室外蒸發(fā)前后的狀態(tài)變化。(g)蒸發(fā)器的耐鹽性能試驗。(h)強酸、強堿、甲基溴和鉬的蒸發(fā)率。

圖7.(a)FSMM在強酸和強堿溶液中蒸發(fā)前后水的pH值變化。(b)FSMM對含MO模擬廢水的凈化能力。(c)FSMM對含有甲基溴的模擬廢水的凈化能力。(d)10：00至17：00太陽光強度隨環(huán)境溫度的變化。(e)FSMM蒸發(fā)器在10個太陽能驅(qū)動的水蒸發(fā)周期中的循環(huán)穩(wěn)定性。(f)模擬海水、純凈海水和自來水的電阻率。(g)海水淡化前后各種鹽離子的濃度。

利用低成本且環(huán)境友好的太陽能作為光熱轉(zhuǎn)換的能源供給，結(jié)合制備簡單、成本低廉且蒸發(fā)效率高的蒸發(fā)器，是解決海水淡化領域淡水資源危機的最佳方案。在本研究中，我們選用MXene沉積物和Fe?O?作為光熱轉(zhuǎn)換材料，并以MF作為基底材料，成功制備了一種具有高光吸收率、高蒸發(fā)速率和優(yōu)異耐鹽性能的FSMM氣凝膠蒸發(fā)器。Fe?O?與MS的協(xié)同效應使得該蒸發(fā)器在250-2500 nm波長范圍內(nèi)的平均光吸收率超過90%。通過引入海藻酸鈉，提高了MF材料的親水性，降低了FSMM中水的蒸發(fā)焓，從而提升了蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率。實驗結(jié)果表明，F(xiàn)SMM的蒸發(fā)速率可達2.26 kg·m?2·h?1，并展現(xiàn)出優(yōu)異的耐鹽性。無論是在濃鹽水、強酸、強堿還是染料廢水中，F(xiàn)SMM均能保持良好的蒸發(fā)速率。本研究提出了一種將光熱材料負載到MF上的簡便方法，為氣凝膠在冷凍干燥過程中易收縮以及在水下機械性能差的問題提供了新的解決方案。該研究引入了一種創(chuàng)新的低成本蒸發(fā)器制備策略，通過回收廢棄MS實現(xiàn)了具有成本效益的蒸發(fā)器生產(chǎn)，顯著拓展了太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)在水凈化領域的潛在應用。

Chen, J., He, Y. Q., Zheng, J., Hang, J. H., Lou, J., Xia, X. L., Hu, C. Y., & Liu, B. J. Sodium alginate-integrated MXene sediment /Fe?O? evaporator for salt-resistant and efficient continuous water evaporation. International Journal of Biological Macromolecules, 2025, 329, 147785..

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資料整理：雷幸悅（陽光凈水）

編輯：環(huán)境與能源功能材料

審核：

雷幸悅（陽光凈水課題組）

【資料整理】雷幸悅：資源與環(huán)境碩士研究生。

陽光凈水課題組：主要研究方向為生物質(zhì)基環(huán)境功能材料、太陽能蒸發(fā)材料、磁性吸附材料、污染物吸附和環(huán)境催化反應機理。承擔自然科學基金項目、浙江省自然科學基金探索項目、浙江省自然科學基金（聯(lián)合基金）探索項目、市科技計劃項目等十余項。在Chem Eng J、Bioresour Technol、J Hazard Mater、Desalination、Carbohydr Polym、J Colloid Interf Sci、Sep Purif Technol、Ind Eng Chem Res、J Environ Manag、J Environ Sci等期刊上發(fā)表或接收SCI收錄論文100余篇；中科院TOP期刊綜述論文9篇（其中Chitosan 5篇）；發(fā)表論文被Chem Rev、Chem Soc Rev、Energ Environ Sci、Adv Mater、Coordin Chem Rev、Prog Polym Sci、Adv Funct Mater、Water Res、Adv Energy Mater等400余SCI期刊引用超過6300次，篇均被引次數(shù)超過60次，單篇論文最高被引用次數(shù)為520次；19篇論文（曾）入選ESI高被引論文和7篇論文（曾）入選熱點論文。

殼聚糖丨纖維素丨MOF材料丨石墨烯丨碳納米管丨MXenes丨硫化鉬丨催化材料丨蒸發(fā)材料丨吸附材料丨電極材料丨除磷材料丨產(chǎn)氫材料

2025年9月，國際TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發(fā)表了陽光凈水課題組題為“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的綜述性論文。根據(jù)Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述多功能和可持續(xù)殼聚糖基界面蒸發(fā)材料在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本文總結(jié)了殼聚糖基太陽能界面蒸發(fā)器（CS-SIE）四種類型（水凝膠、氣凝膠、海綿和膜）、五種改性材料和在水污染控制中應用。最后，總結(jié)了CS-SIEs在際應用中仍面臨挑戰(zhàn)。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環(huán)境、制藥、食品等領域的工業(yè)應用，最新中科院分區(qū)：8.50/二區(qū)TOP期刊。

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2024年06月08日，國際期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發(fā)表了陽光凈水課題組題為“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”綜述論文。根據(jù)Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述殼聚糖基異相催化劑在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本綜述概述了金屬氧化物/殼聚糖基復合材料（MOs@CSbMs）、金屬硫化物/殼聚糖基復合材料（MSs@CSbMs）、鉍基半導體/殼聚糖基復合材料（BibSCs@CSbMs）、金屬有機框架/殼聚糖基復合材料（MOFs@CSbMs）和納米零價金屬/殼聚糖基復合材料（NZVMs@CSbMs）等5種Cat@CSbMs材料的制備策略及作為助催化劑、光催化劑、類芬頓試劑在處理各類廢水中的應用進展。該綜述不僅加深了對環(huán)境功能材料與環(huán)境污染控制作用的理解，也為未來Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和還原金屬離子等相關(guān)領域的研究提供了參考和啟示。該論文自2024年6月發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用42次（Web of Science），2025年5月入選ESI高被引論文。

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2024年 12 月 24 日，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發(fā)表了 陽光凈水課題組 題為 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 綜述論文。本綜述全面總結(jié)了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高廢水處理和水凈化的有效改性策略，并重點闡述了MoS2bMats在環(huán)境污染物吸附、光催化降解和還原、Fenton高級氧化、PMS/PS活化氧化、廢水脫鹽（膜過濾和太陽能蒸發(fā)脫鹽）等方面的應用。最后，討論并提出了 MoS 2 bMats 理論研究與應用之間存在差距、工程挑戰(zhàn)、未來的研究方向和機遇。 該論文自 2024 年 12 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用21 次（ Web of Science ）。

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2025年 06 月 ，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “Sustainable chitosan-based adsorbents for phosphorus recovery and removal from wastewater: A review” 最新 綜述論文。本文全面綜述了用于廢水中磷回收和去除的殼聚糖基吸附材料（CSMats）的性質(zhì)、改性方法、影響因素。同時，總結(jié)了CSMats吸附去除水體磷的主要作用機理（氫鍵、靜電作用、路易斯酸堿相互作用、配體/離子交換和表面沉淀作用）。此外，還歸納了CSMats的再生方法、連續(xù)流處理和在實際廢水中應用。 最后，討論了 CSMats除磷材料面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。《 International Journal of Biological Macromolecules 》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環(huán)境、制藥、食品等領域的工業(yè)應用，2025年6月最新影響因子/中科院分區(qū)： 8. 50/ TOP 期刊。該論文自 2024 年1 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用8 次（Web of Science ），國際引用占比75%。

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2024 年 1 月，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的綜述性論文。更清潔、更安全的環(huán)境是未來最重要的要求之一。與傳統(tǒng)材料相比，殼聚糖具有豐富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和親水性，是一種更環(huán)保的功能材料。由于殼聚糖分子鏈上豐富的 -NH2 和 -OH 基團可以有效地與各種金屬離子螯合，殼聚糖基材料作為金屬氧化物納米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撐基質(zhì)具有巨大的潛力。近年來，許多殼聚糖 / 金屬氧化物納米材料（ CS/MONM ）作為吸附劑、光催化劑、非均相類芬頓試劑和傳感器，在環(huán)境修復和監(jiān)測中具有潛在和實際的應用。本綜述全面分析和總結(jié)了CS/MONMs復合材料的最新進展，這將為CS/MONMs復合材料的制備和廢水處理應用提供豐富而有意義的信息，并有助于研究人員更好地了解CS/MONMs復合材料在環(huán)境修復與監(jiān)測中的潛力。該論文自 2024 年 1 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用59 次（ Web of Science ），國際引用占比55.0%。

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2024 年 2 月，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的綜述性論文。污染物檢測和水凈化對于實現(xiàn)環(huán)境保護和資源利用非常重要。構(gòu)建新型功能材料去除各種污染物也變得越來越重要和緊迫。本綜述總結(jié)了磁性殼聚糖（M-CSbMs）的3種可靠制備策略（原位策略、兩步策略和沉積后策略），并詳細介紹了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金屬離子、有機染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低濃度污染物等方面的研究進展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面臨的挑戰(zhàn)和前景，以期促進其在水凈化和固相萃取污染物方面的實際應用。該論文自 2024 年 2 月發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用 41 次（ Web of Science ）。

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