Solar RRL:三维球型蒸发器助力高效稳定的太阳能光热水蒸发

近年来,太阳能光热驱动水蒸发被认为是一种经济、高效的环境友好型淡水制造策略。选择高效的光热材料和合理设计蒸发器结构是提高光热水蒸发效率的关键所在。新型的二维层状MXene材料由于具有广谱的太阳光吸收、丰富的表面化学特性、超薄的厚度、较大的比表面积等特性,被认为是制造高效光热蒸发器的理想材料。然而,二维MXene材料表面的活性金属组分接触水和氧气后容易自分解,使得该类型光热材料的应用受到限制。

采用表面改性策略可以有效阻止二维MXene的自分解,提高MXene在水环境中的稳定性;此外,构建复合光热材料所产生的光学扰动协同效应能进一步增强材料的光吸收性能,提升光热水蒸发效率。近期,南京林业大学杨小飞教授课题组与南澳大利亚大学徐浩兰研究员课题组合作,针对MXene光热材料以及二维蒸发器的多角度光捕捉的不足之处,可控制备0D Co3O4/2D MXene光热纳米复合材料;并鉴于实际应用中太阳光入射角度的多变性,设计构建三维球形蒸发器多角度捕捉入射光,实现高效稳定的光热水蒸发效率。研究结果表明,具有丰富表面基团的二维MXene材料不仅能够有效调控四氧化三钴的纳米颗粒尺寸,使其均匀分散在超薄的二维纳米片层表面;零维/二维纳米复合结构的光学扰动及本征光学吸收协同效应,同时显著提高光热材料对太阳光的吸收和利用。更重要的是,二维MXene材料表面上均匀分布的高密度四氧化三钴纳米颗粒有效阻隔了表面的活性金属组分与水和氧气的接触,从而显著提升了MXene基光热复合材料在含水、含氧环境中的稳定性。与二维蒸发器相比,三维球型蒸发器在入射光为45°和90°均可以较大程度的吸收太阳光;与此同时,三维蒸发器还可以从环境中吸收能量并用于光热蒸汽转化。所构建的三维球型蒸发器在1个太阳光下的光热水蒸发速率可达1.89 kg m-2 h-1,对应的光热水蒸发效率超过二维蒸发器的极限理论效率。

该工作有效解决了二维MXene材料在光热转换应用方面的稳定性及二维平面蒸发器对入射光角度的依赖问题,显著提高了二维MXene材料的太阳能界面水蒸发效率。同时也为三维光热蒸发器在高效界面水蒸发、海水淡化以及水质净化等领域的科学研究提供了新的思路。相关论文在线发表在Solar RRL (DOI:10.1002/solr.202000232)上。