光熱材料在海水淡化、廢水處理等方面的應(yīng)用已被廣泛研究，但將光熱效應(yīng)與太陽能驅(qū)動(dòng)光催化相結(jié)合，表現(xiàn)出高效的太陽能驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)性能和優(yōu)異的光催化能力的研究相對較少。從實(shí)際應(yīng)用的角度來看，將光熱效應(yīng)與太陽能驅(qū)動(dòng)光催化相結(jié)合，開發(fā)成本低、制備工藝簡單、能實(shí)現(xiàn)海水淡化、廢水處理和光降解有機(jī)染料的環(huán)保型蒸發(fā)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(zhuǎn)運(yùn)通道、優(yōu)異的光吸收能力(約94%)、較低的熱導(dǎo)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(jī)染料方面表現(xiàn)優(yōu)異。在1 kW m
-2光照下，MF-MXene/PPy的太陽能轉(zhuǎn)化率和效率可達(dá)1.5174 kg m
-2 h
-1和91.24%。此外，由于MF-MXene/PPy的孔徑規(guī)則，即使在20 wt% NaCl中連續(xù)蒸發(fā)8小時(shí)也表現(xiàn)出良好的耐鹽性。在70 mL 20 wt% NaCl中連續(xù)蒸發(fā)8小時(shí)后，收集的鹽量可達(dá)0.2 g。此外，MF-MXene/PPy對有機(jī)染料也具有優(yōu)異的可見光降解能力，對亞甲基藍(lán)(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(xiàng)基礎(chǔ)性研究，本研究將為新型蒸發(fā)器的研制開辟一條新的途徑。
圖1 MXene和MF-MXene/PPy蒸發(fā)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(yīng)力-應(yīng)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(yàn)。
圖4. (a) MF和MF- mxene /PPy的靜態(tài)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(huán)境下的導(dǎo)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(zhì)量變化。(b) MF-MXene/PPy在不同鹽度溶液中的蒸發(fā)效率和速率。(c) MF-MXene/PPy在20 wt% NaCl中8小時(shí)的質(zhì)量變化。(d) MF-MXene/PPy在20 wt% NaCl中8小時(shí)的蒸發(fā)效率和蒸發(fā)速率(三次測量的6a-d平均值)。(e) MF-MXene/PPy在20wt%NaCl蒸發(fā)8 h時(shí)的上表面圖像。
圖8. (a)蒸發(fā)前后海水電阻值。(b-c)蒸發(fā)前后海水和金屬離子濃度。 (d)耐鹽和重金屬離子攔截機(jī)理示意圖。(e)蒸發(fā)前后測得的水的pH值。
圖9 (a-c) MB、RHB和MO在不同時(shí)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(yīng)模型擬合的MF-MXene/PPy氣凝膠的動(dòng)力學(xué)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(jī)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(guān)科研成果由西北民族化學(xué)工程學(xué)院Lihua Chen等人于2023年發(fā)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(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
