光熱材料在海水淡化、廢水處理等方面的應用已被廣泛研究，但將光熱效應與太陽能驅動光催化相結合，表現出高效的太陽能驅動水蒸發性能和優異的光催化能力的研究相對較少。從實際應用的角度來看，將光熱效應與太陽能驅動光催化相結合，開發成本低、制備工藝簡單、能實現海水淡化、廢水處理和光降解有機染料的環保型蒸發器具有重要意義。本文通過簡單浸漬和原位聚合制備了一種新型多功能MXene/聚吡咯(PPy)包覆三聚氰胺泡沫(MF -MXene/PPy)。MF-MXene/PPy具有豐富的孔隙率(89.13%)、豐富的水分子轉運通道、優異的光吸收能力(約94%)、較低的熱導率(0.1047 W m
-1 K
-1)，在太陽能海水淡化、廢水凈化和光降解有機染料方面表現優異。在1 kW m
-2光照下，MF-MXene/PPy的太陽能轉化率和效率可達1.5174 kg m
-2 h
-1和91.24%。此外，由于MF-MXene/PPy的孔徑規則，即使在20 wt% NaCl中連續蒸發8小時也表現出良好的耐鹽性。在70 mL 20 wt% NaCl中連續蒸發8小時后，收集的鹽量可達0.2 g。此外，MF-MXene/PPy對有機染料也具有優異的可見光降解能力，對亞甲基藍(MB)、羅丹明B (RHB)和甲基橙(MO)的降解率分別為92.38%、88.92%和91.75%。作為一項基礎性研究，本研究將為新型蒸發器的研制開辟一條新的途徑。
圖1 MXene和MF-MXene/PPy蒸發器的制備。
圖2. (a) MXene (Ti3C2Tx)的SEM圖像，(b) MXene的TEM圖像。(c) Ti3C2的SAED。(d-h) MF、MF/PVA、MF- mxene、MF- mxene /PPy的SEM圖像。(i) MF-MXene/PPy的EDS圖。
圖3 (a)濕型MF-MXene/PPy的壓縮應力-應變曲線。(b)密度和孔隙率(三次測量的平均值)。(c-d) MF-MXene/PPy的壓汞曲線及孔徑分布。(e) MF和MF- mxene /PPy的變形試驗。
圖4. (a) MF和MF- mxene /PPy的靜態接觸角。(b) MF-MXene/PPy對水的吸收率(來自三次測量的平均值)。(c) MF-MXene/PPy吸水前后的重量變化。(d) MF-MXene/PPy在干濕環境下的導熱性能測試。(e) MF、MF- mxene和MF- mxene /PPy的吸光度譜。
圖5 (a) MF-MXene/PPy的TGA。(b) MF、MF- mxene和MF- mxene /PPy的XRD譜圖。(c) MF、MF- mxene和MF- mxene /PPy的FTIR光譜。(d) MF-MXene和MF-MXene/PPy的XPS測量光譜。(e) MF-MXene和MF-MXene/PPy的C 1s譜。(f) MF-MXene和MF-MXene/PPy的Ti 2p譜。
圖6 MF-MXene/PPy催化劑的可見光降解性能測試。
圖7 (a) MF-MXene/PPy在不同鹽度溶液中的質量變化。(b) MF-MXene/PPy在不同鹽度溶液中的蒸發效率和速率。(c) MF-MXene/PPy在20 wt% NaCl中8小時的質量變化。(d) MF-MXene/PPy在20 wt% NaCl中8小時的蒸發效率和蒸發速率(三次測量的6a-d平均值)。(e) MF-MXene/PPy在20wt%NaCl蒸發8 h時的上表面圖像。
圖8. (a)蒸發前后海水電阻值。(b-c)蒸發前后海水和金屬離子濃度。 (d)耐鹽和重金屬離子攔截機理示意圖。(e)蒸發前后測得的水的pH值。
圖9 (a-c) MB、RHB和MO在不同時間的紫外可見光譜。(d) MF-MXene/PPy氣凝膠在不同染料MB、RHB和MO中的光降解曲線。(e)通過擬一級反應模型擬合的MF-MXene/PPy氣凝膠的動力學曲線MB、RHB和MO。(f)加入和不加入MF-MXene/PPy的MB、RHB和MO的降解率。
圖10 MF-MXene/PPy的ESR譜。
圖11 (a) MF-MXene/PPy可能的光催化機制。(b)該MF-MXene/PPy集成處理器用于拍攝在太陽能光降解處理過程中收集的水樣。
相關科研成果由西北民族化學工程學院Lihua Chen等人于2023年發表在Journal of Colloid and Interface Science (https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.01.018)上。原文：MXene/polypyrrole coated melamine-foam for efficient interfacial evaporation and photodegradation。
轉自《石墨烯研究》公眾號
