港城大王钻开教授等《Nat. Commun.》：将Ti3C2Tx MXene的固有亲水性转化为超疏水性以实现高效光热海水淡化

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海水淡化一直是水资源组合框架的一个重要组成部分，以应对世界范围内日益严峻的淡水资源短缺挑战。尽管进行了广泛的努力并取得了显著的进展，但大多数现有技术都面临高能耗和具有挑战性的盐水管理，尤其是在处理高浓度盐溶液时。作为一种新兴的基于热驱动的膜法分离过程，膜蒸馏（MD）显示出显著的优势，例如其高盐截留率、与反渗透（RO）的协同集成实现高水回收率，以及与可再生能源的高度兼容性。在典型的直接接触式膜蒸馏（DCMD）工艺中，热盐水（进料）和冷纯水（渗透）在疏水膜的两侧流动，形成跨膜温度梯度(∆T），驱动水到蒸汽的持续转变（图1a）。疏水膜既作为蒸汽传输介质，又作为防止液体盐水直接渗透的屏障，有效地允许水蒸汽从进料侧传输到渗透侧并冷凝为淡水，同时排斥液态水和盐离子。由于其100%的理论盐截留能力，MD已成为解决淡水短缺问题的一种有前途的海水淡化方法。理想的MD过程要求高的跨膜温度梯度(∆T）实现较高的蒸汽渗透通量, 并具备优异的膜耐久性。然而，由于连续的水-蒸汽转变导致给水侧的热量损失，很难保持恒定∆T，且难以防止膜润湿转变而引起的膜污染和膜结垢等问题。

近日，香港城市大学王钻开和Alicia Kyoungjin An团队，在国际期刊Nature Communications上发表了题为“Transforming Ti₃C₂T_x MXene’s intrinsic hydrophilicity into superhydrophobicity for efficient photothermal membrane desalination”的论文。该团队开发了一种Ti₃C₂T_x MXene工程膜，该膜具有高效的局域光热效应和强拒水能力，显著提高了淡水产率和稳定性。除了引入避免热损失的光热效应外，Ti₃C₂T_x MXene的高导电性还允许通过静电喷涂在其表面上自组装均匀的分级结构聚合物纳米球，将其固有亲水性转化为超疏水性。基于该界面工程的光热膜蒸馏过程（PMD）在一个太阳光照射下获得较高的产水率，实现了高效节能和高盐稳定性。

本研究提出一种简单有效的MXene膜的抗润湿策略，以推动其在处理高盐溶液领域的潜在应用。具体而言，设计了一种光热Ti₃C₂T_x MXene界面工程化的聚偏二氟乙烯膜（PM-PVDF），该膜具有高效的局部光热效应和强拒水性，实现了可持续的光热膜蒸馏PMD（图1b）。该界面工程设计主要利用MXene独特的太阳能收集能力和高导电率，同步实现出色的光热转化和浸润性转换（图1c）。一方面，光热MXene能够实现可持续的表面自加热，以避免由于连续的水到蒸汽转变而导致的进料侧热损失，从而保持较高且稳定的跨膜温度梯度。另一方面，MXene的高导电性允许其表面通过电喷雾自组装均匀的分级结构聚合物纳米球，将其固有的亲水性转化为超疏水性，而无需任何额外的表面处理。基于界面工程功能化，PM-PVDF膜具备高能效和抗润湿能力，可用于高盐溶液处理，显著提高淡水产率和稳定性。

图文解析：

图1 用于PMD的PM-PVDF膜的设计理念。

a）由于固有的温差极化效应和浓差极化效应，使用C-PVDF膜的传统MD工艺存在热效率低和膜润湿问题。MD工艺涉及多孔疏水膜两侧的热海水（黄色）和冷淡水（蓝色）流动，这允许通过跨膜温度梯度∆T驱动水蒸汽渗透、 同时排斥液态水和盐离子。蓝线表示由于给水侧连续的水蒸气转变而产生的固有热损失造成的温差极化∆T。黄色阴影表示与初始进料温度（黄色）相比，进料/膜界面附近的温度下降。灰线表示由于浓差极化，靠近界面的盐浓度逐渐增加，加剧膜润湿转变以及膜污染和膜结垢问题。b)优化的PMD工艺具有PM-PVDF膜赋予的局域表面自加热功能和超疏水增强的膜稳定性。PM-PVDF膜一方面过MXene层光热效应增强∆T，一方面通过分级结构聚合物纳米球超疏水层增强膜的抗润湿性能。红色阴影表示与初始进料温度（黄色）相比，进料/膜界面附近的温度升高，这是由于通过光热效应的局域表面加热造成的。c ) MXene界面工程策略，同步实现从亲水性到超疏水性的光热转化和润湿性转换。左图：MXene纳米片的TEM图像，插图显示MXene等离子体效应增强光热转化的示意图。右图：初始MXene膜和经处理后PM-PVDF膜的接触角，展示出很强的拒水性。

图2 膜的制备和结构表征。

a) PM-PVDF膜的制备与界面工程示意图。通过蚀刻剥离法合成MXene，然后通过静电喷雾工艺将其构建到C-PVDF膜上。b) 基于导电MXene通过静电喷雾实现自组装分级聚合物纳米球。聚合物纳米球的形成包括三个步骤，包括带电液滴的形成、库仑爆炸和相分离。MXene的高导电性和足够的表面官能团为聚合物纳米球的组装提供了结构导向，只有当PDMS和高分子PVDF都存在时，才能生成聚合物纳米球。c) PM-PVDF的横截面SEM图像。d) C-PVDF膜的SEM图像。e） PM-PVDF膜的SEM图像。f）组装聚合物纳米球的2D MXene纳米片的TEM图像。g) EDS线扫描聚合物纳米球。h ）GIXRD图谱。

图3 膜的光热效应和热导率。

a)膜的紫外-可见-近红外吸收光谱。b) 膜的热导率。c）表面温度分布随时间的变化，d)对应的红外热成像图像。e) 孔径分布。f) PM-PVDF的典型光学表面轮廓。g) PM-PVDF光捕获和热阻能力示意图。分层拓扑结构通过光捕获效应最大限度地收集阳光，同时，多孔膜中气穴充当热阻，以缓解通过膜的热传导，实现高效的太阳能利用。

图4  拒水性和膜抗润湿性。

图5  PMD高盐脱盐性能演示。

小结：

综上所述，开发了一种Ti₃C₂T_x MXene工程膜 (PM-PVDF)，该膜具有高效的局域光热能力和优异的拒水性，实现可持续的光热膜蒸馏PMD。MXene的高效太阳能吸收和光热转化赋予膜局域表面自加热能力，以避免连续水蒸气转变引起的进料侧热损失。此外，基于高导电性MXene的结构导向作用，通过静电喷雾在其表面实现了均匀分级结构聚合物纳米球的自组装，从而将MXene的固有亲水性转化为超疏水性。得益于该界面工程策略，PM-PVDF膜具有持续较高的跨膜温度梯度和较强的抗润湿性，从而显著提高了一个太阳光照射下的淡水产率和稳定性。这项工作通过开发多功能超疏水MXene工程膜，为实现高效节能和高盐稳定的PMD构筑有效的水能关系策略。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31028-6

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