过程工程所研发出耐极端环境光热陶瓷纤维膜材料

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过程工程所研发出耐极端环境光热陶瓷纤维膜材料

发布时间：2025-04-24【打印】【关闭】

太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术是一种利用太阳能进行高效蒸发的新型技术，因其零碳排、高能效及模块化的优势，已成为可持续淡水生产的有效解决方案。过程工程所介科学与工程全国重点实验室王钰研究员团队在太阳能驱动界面蒸发领域取得新进展，成功研发出一种基于一维Ti₂AlSnC MAX相纳米纤维膜为光热层的光热蒸发器。实验表明，该蒸发器可实现在强酸、强碱、高盐度废水等极端环境下高效、稳定地利用太阳能生产淡水。相关研究于4月22日发表在ACS Nano（ DOI：10.1021/acsnano.5c03189）。

在全球淡水资源短缺与“双碳”目标推动下，太阳能驱动界面蒸发技术在食物、能源和水处理等关联领域具有潜在应用。然而，传统光热材料对极端环境适应性不足，化学稳定性差、多功能性缺失及结构刚性等问题会导致蒸发性能迅速下降，严重制约其实际应用。

针对这一难题，研究团队创新性地引入具有金属与陶瓷双重特性的MAX相材料。MAX相是一种新型功能性陶瓷材料，兼具陶瓷的高硬度、耐高温、耐腐蚀和金属的导电性、导热性和耐辐射性。研究人员通过调控A位元素（Sn/Al）固溶体，共型合成了一维Ti₂AlSnC纳米纤维膜。实验数据显示，该材料不仅具备超90%的宽光谱吸收率和高效光热转换能力，还展现出卓越的化学稳定性与机械柔韧性，可在pH <1的强酸环境中连续运行30天，保持2.8 kg m-2 h-1的稳定蒸发速率。

图1 一维Ti2AlSnC MAX相的制备及性能

研究表明，Ti₂AlSnC纳米纤维的亲水性表面及多孔结构显著降低了水蒸发焓，形成易于蒸发的“中间水”簇，可有效提升蒸发性能。研究团队基于这一纤维材料，设计多种蒸发器结构以减少能耗，并结合焦耳加热模块协同调控热管理，进一步解决光热蒸发技术对光照条件的依赖。实验中，在低光照或无光条件下，仅需小于3 V的低电压输入即可实现全天候淡水生产，蒸发速率最高达5 kg m-2 h-1。此外，通过表面疏水改性与几何非对称设计，该蒸发器可有效抑制盐结晶堆积，在20 wt%高盐度废水中仍维持高效脱盐性能。经检测，产水水质符合世界卫生组织（WHO）饮用水标准。同时，团队还开发了短切纤维悬浮液涂覆技术，使这一材料可适配刚性及柔性基底，拓展了其在定制化光热器件中的应用场景。

图2 Ti2AlSnC MAX相光热蒸发器在极端环境下可持续淡水生产性能

该研究不仅有助于解决极端环境下光热材料稳效性的难题，还为工业高盐废水处理、海水淡化及紧急救灾等场景提供了可持续解决方案。此前，团队已在功能性陶瓷纤维合成与规模化制备领域取得系列成果，尤其聚焦于太阳能、水能等清洁能源的能源转换应用研究。相关工作相继发表于Nat Commun 2024, 15, 9275、Chem Eng J 2024, 498, 155872、Nano Lett 2024, 24, 3515、ACS Nano 2023, 17, 18456、Adv Funct Mater 2023, 2036604、ACS Sustainable Chem Eng 2023, 11, 11313、ACS Appl Mater Interfaces 2022, 14, 54855、ACS Appl Mater Interfaces 2022, 14, 19652、Nano Lett 2022, 22, 3266、ACS Appl Energy Mater 2021, 4, 10877等期刊上。

该工作得到了北京市自然科学基金及介科学与工程全国重点实验室专项的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c03189

（材料与环境工程研究部）

网址：过程工程所研发出耐极端环境光热陶瓷纤维膜材料 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/883000

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