用于高效且耐盐的界面太阳能蒸发的沸石纳米片-碳复合薄膜

《Desalination》：Zeolite nanosheet–carbon composite films for high-efficiency and salt-resistant interfacial solar evaporation

本研究开发了一种无需模板的一步溶液涂覆和热解法制备的zeolite纳米片–碳（ZNC）复合膜，具有宽带太阳能吸收、高表面粗糙度、亲水性和快速水传输特性，同时具备被动盐排斥能力，无需聚合物膜或外部除盐处理。在1 sun光照下，ZNC膜实现了约2.0 kg/m2·h的稳定蒸发率和91%的太阳能-蒸汽转换效率，长期运行中表现出良好的抗污性和结构稳定性，为可持续太阳能海水淡化提供了高效解决方案。

　　这项研究提出了一种创新的解决方案，以克服传统太阳能蒸发技术在大规模应用中遇到的挑战。随着全球对淡水需求的不断增长，特别是在干旱和半干旱地区，如中东和北非，水短缺问题日益严重。为了应对这一危机，科学家们致力于开发高效、可持续的海水淡化技术。然而，现有技术如反渗透和热蒸馏虽然广泛应用，但往往需要大量的能源消耗，并依赖化石燃料，这不仅提高了运行成本，还带来了显著的碳排放问题。因此，寻找一种更环保、节能且适合偏远地区或资源有限社区的替代方案变得尤为迫切。

太阳能驱动的界面蒸发技术因其独特的性能而受到广泛关注。该技术通过直接利用太阳能在空气与水的界面处蒸发水分，从而将盐分和污染物留在原处。与传统的体加热过程不同，界面蒸发采用的是局部加热，即通过光热材料将太阳能集中在界面处，而不是在整个水体积中分散。这种方法能够有效减少热量向水体内部和周围环境的散失，从而实现更高的能源效率。在一些实验中，界面蒸发的效率甚至超过了90%，这使其成为一种低成本、环境友好的水净化方案。例如，离子共价有机框架（iCOFs）在1太阳光照条件下，可以实现高达3.55千克每平方米每小时的蒸发速率，这是通过降低水蒸发热并保持宽谱光吸收实现的。

为了进一步提高界面蒸发器的性能，材料的选择和结构设计变得至关重要。理想的光热材料需要具备宽谱光吸收能力、高光热转换效率、低热导率以及良好的水渗透性。然而，实现这些性能往往需要复杂的、多步骤的制造工艺，这在一定程度上限制了其大规模生产和应用。为此，科学家们探索了多种材料，包括等离子体纳米颗粒、窄带隙半导体以及碳基材料。其中，等离子体金属如金和银具有优异的光-物质相互作用和光热性能，但它们的高成本和难以扩展的生产方式限制了其实际应用。相比之下，过渡金属氧化物如Ti?O?虽然具有稳定性和良好的光吸收能力，但通常需要复杂的合成方法，并且在水润湿性方面表现有限。

碳基材料因其成本低廉、可扩展性强，成为一种极具潜力的替代方案。这些材料包括石墨烯、碳纳米管（CNTs）、碳黑和碳化生物质等。它们能够实现宽谱光吸收、良好的热稳定性和化学稳定性。更重要的是，碳材料可以被加工成多种结构，如气凝胶和薄膜，这些结构有助于提高光捕获效率、实现热量的局部化以及促进水的定向运输。近年来的研究还表明，由废弃塑料或天然生物质制成的多孔碳材料具有优异的表面粗糙度和分级孔隙结构，从而进一步提升了太阳能吸收和蒸发效率。

除了材料本身的选择，结构和界面设计同样在提升太阳能蒸发性能方面发挥着重要作用。通过表面粗糙化、集成微流道和使用多孔支架等方法，可以有效提高蒸发效率，促进水的供应并减少热量损失。另一种方法则是通过改性蒸发界面，以同时管理光、热和质量的传输。例如，氧化石墨烯-聚乙烯亚胺（PEI）复合膜能够将水蒸发热降低高达42%，从而显著提高蒸发速率。这种界面工程技术使得许多系统在实验室条件下能够实现超过2.0千克每平方米每小时的蒸发速率。

尽管这些技术取得了显著进展，但仍然存在一些未解决的限制。首先，高性能蒸发器的可扩展性通常受到复杂制造工艺的限制。目前许多先进系统采用多步骤化学合成、模板辅助纳米结构化或特殊表面功能化，但这些方法限制了低成本的大面积生产。其次，虽然在实验室环境中已经实现了令人印象深刻的蒸发速率，但将这些成果转化为实际应用的设备仍然面临巨大挑战。户外操作不可避免地涉及太阳能强度、环境温度和湿度的波动，这使得保持一致的性能变得困难。第三，长期盐分去除仍然是一个关键瓶颈。许多系统在初期表现出良好的脱盐性能，但在长时间运行中，由于孔隙堵塞、盐分积累或聚合物组件的降解，导致其性能下降。

为了解决这些限制，研究团队开发了一种由沸石纳米片和碳（ZNC）组成的复合薄膜，该薄膜集成了简单的制造工艺、高性能和长期稳定性。该薄膜通过一步溶液涂覆和热解法进行制备，提供了一种无需模板或额外功能化的可扩展且低成本的制造途径。这种制造工艺的简便性是本研究的主要创新点，为许多现有蒸发器所采用的复杂、多步骤策略提供了一个实用的替代方案。此外，复合设计能够降低水蒸发热，从而实现高效的蒸发性能。这种性能的提升源于碳框架和沸石纳米片的协同作用：碳框架确保了宽谱光吸收和高效的光热转换，而沸石纳米片则提高了水润湿性、引入了表面粗糙度，并加速了水的运输。此外，ZNC薄膜的另一个优势是其内在的盐分去除能力。沸石纳米片层作为被动的脱盐屏障，能够抑制盐分的积累，而无需聚合物膜或二次处理，从而确保在盐水条件下的稳定长期运行。

在本研究中，团队对ZNC薄膜的结构和物理化学特性进行了系统分析，并在室内和户外的太阳能条件下对其蒸发性能进行了评估。通过分析蒸馏水的元素组成，团队确认了该薄膜在脱盐方面的有效性。这些结果表明，ZNC薄膜是一种高效、稳定的平台，适用于可持续的太阳能驱动海水淡化。此外，该研究还强调了沸石-碳混合材料在实际应用中的潜力，为未来在不同环境条件下实现高效、环保的水净化提供了新的思路。