综述：MXene材料在太阳能驱动的界面蒸发中的应用：结构设计、性能与应用方面的综述

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：MXene materials for solar-driven interfacial evaporation: a critical review of structural design, performance, and applications

MXene作为新型光热材料在太阳能驱动界面蒸发技术中展现出宽带光吸收和等离子共振效应，构建“材料-结构-性能-应用”框架系统分析六类MXene基蒸发器设计及其在海水淡化等场景的应用潜力，提出需突破绿色合成、稳定性优化等瓶颈以推进工业化。

　　

邓一帆|邓依宁|孙伟泰|刘毅友|马晓璐|滕德芳|李伟

山东工业大学纺织与服装学院，淄博255000，中国

摘要

全球淡水短缺对人类生存和可持续发展构成了严重威胁，而传统的海水淡化技术则存在高能耗和环境污染的问题。作为太阳能驱动界面蒸发的核心光热材料，MXene因其宽带光吸收和局域表面等离子体共振（LSPR）效应而脱颖而出。本综述构建了一个统一的“材料-结构-性能-应用”框架，阐明了它们之间的关联，并探讨了基于MXene的蒸发器的六种结构类型（水凝胶、气凝胶、膜、织物、泡沫和复合材料）的制备方法、性能和应用。这些基于MXene的蒸发器表现出领先的太阳能到蒸汽的转换效率和环境适应性，为海水淡化和工业废水处理提供了定制化的解决方案。研究MXene的环境友好型和可控合成方法、提高其结构稳定性以及开发仿生和智能响应设计正逐渐成为该领域的主要挑战。克服这些挑战将加速工业化进程，并为缓解全球水资源短缺提供可行的途径。

引言

随着全球人口激增和工业化快速发展，淡水短缺已成为威胁生态平衡和可持续发展的生存危机[1][2]。根据联合国的统计，目前全球约有一半的人口面临不同程度的水资源短缺[3][4]。尽管传统的海水淡化技术（如反渗透和多级闪蒸）效果显著，但它们受到高能耗、成本高昂和二次污染的制约[5]。在这方面，太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）技术因其直接利用可再生能源、环保以及潜在的低成本优势而被视为解决全球水资源危机的革命性方案[6][7]。人们已经投入了大量努力来优化蒸发器的尺寸和制造工艺，以降低生产成本并提高系统稳定性。然而，在系统能源管理和大规模生产的适应性方面仍需进一步改进[8][9]。SDIE的核心在于光热材料的设计，这些材料直接决定了蒸发器的太阳能到蒸汽的转换效率和长期稳定性。

自2011年发现MXene以来[10]，这种二维（2D）过渡金属碳化物/氮化物/碳氮化物家族彻底改变了SDIE领域。虽然基于Ti-Al-C基MAX相的Ti₃C₂T_X是最具代表性和研究最广泛的MXene材料，但本综述涵盖了多种典型MXene材料的进展，包括但不限于Ti₃C₂T_X、V₂CT_X和Mo₂CT_X，以反映该领域的整体发展。MXene具有宽带光吸收能力（在300–5000纳米波长范围内吸收率超过98%）、局域表面等离子体共振效应以及可调的表面官能团（–OH、?F、=O）[11][12]，使其在光捕获能力、热稳定性和结构适应性方面优于传统光热材料（如碳基材料和金属纳米颗粒）[13][14]。与当前的先进太阳能热材料（碳气凝胶）相比，MXene在表面功能化方面具有更大的灵活性和更短的生产周期，显示出更大的商业化潜力[15]。其独特的层状结构使其能够与多种基底协同集成，从而创造出具有可定制性能特性的蒸发器。这更好地满足了SDIE技术的核心设计要求，并促进了高性能蒸发器的发展。当然，MXene也存在一些需要关注的缺点。例如，Razium A. Soomro等人[16]对MXene在潮湿环境中的氧化行为进行了定量分析：在相同的潮湿条件下，经过抗氧化剂处理的Ti₃C₂T_X的保质期是未经处理样品的50倍。氧化后，MXene的比表面积显著减小（降至原始值的四分之一），导致严重的重新堆叠现象。因此，需要专门的储存方法来防止材料在长期储存过程中的降解和损失。

尽管基于MXene的蒸发器在SDIE系统中的研究呈指数级增长，但现有的综述仍存在三个关键限制，这些限制制约了该领域的发展：（1）它们仅关注单一结构类型，未能系统地比较不同架构下的材料-结构-性能-应用关系[17][18]；（2）对基于MXene的蒸发器的制备机制分析不足，MXene纳米材料与不同结构基底耦合后实现高效界面蒸发的多物理协同机制尚不清楚[19]；（3）严重缺乏对工业化生产的考虑，绿色合成和长期稳定性等关键瓶颈问题尚未解决[20]。因此，一项全面且针对性的综述应整合MXene的材料特性与结构设计，明确它们的主导作用，并为后续的实际应用提供指导。

本综述旨在为SDIE系统中基于MXene的蒸发器建立一个统一的“材料-结构-性能-应用”框架，从而填补当前研究的空白。该框架将MXene的固有属性（材料）、蒸发器的结构设计（结构）、关键性能指标（性能）和定制应用场景（应用）联系起来。具体目标有三个方面：（1）详细阐述MXene的基本属性（宽带光吸收、LSPR效应、结构可调性）和刻蚀方法，为该框架奠定理论基础；（2）批判性地分析六种主要蒸发器结构及其MXene驱动的协同机制，阐明结构设计如何放大材料优势；（3）将结构特征与性能指标（太阳能到蒸汽的转换效率、蒸发速率、稳定性）和目标应用（海水淡化、工业废水处理、极端环境水再生）联系起来，同时识别挑战和未来发展方向，以促进工业化。通过综合最新的研究进展并建立明确的材料-结构-性能-应用框架，本综述为开发高效、稳定且低成本的SDIE系统提供了理论见解和技术参考。

部分摘录

MXene纳米材料的基本属性

MXene最早由美国德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授和Michel Barsoum教授于2011年发现[10]。其独特的光学和热学属性直接决定了蒸发器结构的设计方向、性能极限和应用范围。MAX相是研究MXene材料的重要基础[21]。它是一类由过渡金属元素（M）、III族或IV族主族元素（A）组成的三元层状陶瓷。

MXene在太阳能蒸发器中的可行性

太阳能蒸汽发生器通常由专用设备构成，是实现界面太阳能蒸汽生成的关键组件[38]。其工作原理主要包括三个过程：能量吸收、能量传递和水蒸发。能量吸收过程主要指的是光热转换阶段，在此阶段，太阳能蒸发器的接收器吸收太阳辐射，并利用MXene等光热材料将其转化为热能

基于MXene的蒸发器的结构设计及多种基底应用

本节在“材料-结构-性能-应用”框架的指导下，分析了MXene的固有属性（材料）、蒸发器结构设计（结构）和关键性能指标（性能）之间的关系，涵盖了六种主要的结构类型。

结论与展望

本综述为基于MXene的太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术构建了一个统一的“材料-结构-性能-应用”框架，用于海水淡化。MXene纳米材料作为SDIE系统的材料基础，通过其宽带光吸收（在300–5000纳米范围内超过98%）、局域表面等离子体共振效应和结构可调性提供了核心的光热驱动力。结合多样的结构设计，这些属性

伦理批准

由于本研究不涉及人类参与者或可识别的人体组织，因此不需要伦理批准。

CRediT作者贡献声明

邓一帆：撰写 – 综述与编辑、撰写 – 原稿、可视化、软件、资源、调查、形式分析、数据管理、概念化。邓依宁：可视化、验证、软件、资源、方法论、调查、形式分析。孙伟泰：验证、软件、方法论、调查、概念化。刘毅友：验证、方法论、形式分析、数据管理。马晓璐：资源、项目管理、方法论、调查。

资助

山东省自然科学基金，编号ZR2023QC066；国家自然科学基金，编号52403136；山东省自然科学基金，编号ZR2025QC497。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：滕德芳报告称获得了国家自然科学青年基金项目的财务支持；马晓璐报告称获得了山东省自然科学青年基金项目的财务支持。如果还有其他作者，他们也将进行相应的声明。

致谢

本研究得到了山东省自然科学基金（编号ZR2023QC066）、国家自然科学基金（编号52403136）和山东省自然科学基金（编号ZR2025QC497）的支持。