Ti3C2-MXene/CuS/PVDF复合光热膜的制备及太阳能驱动界面水蒸发性能

doi:10.7503/cjcu20240469

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (4): 20240469.doi: 10.7503/cjcu20240469

Ti₃C₂-MXene/CuS/PVDF复合光热膜的制备及太阳能驱动界面水蒸发性能

姜艳丽¹, 徐云松², 王建康³, 李伟豪², 宋英², 汪新智², 姚忠平²()

^1.哈尔滨学院化学系, 哈尔滨 150086
^2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室, 化工与化学学院, 哈尔滨 150001
^3.长江师范学院材料科学与工程学院, 涪陵 408100

收稿日期:2024-10-16 出版日期:2025-04-10 发布日期:2024-12-07
通讯作者: 姚忠平 E-mail:yaozhongping@hit.edu.cn
基金资助:
哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室开放项目(HCK202407);国家自然科学基金(52276152);重庆市自然科学基金(SCTB2023NSCQ-MSX0455)

Preparation of Ti₃C₂-MXene/CuS/PVDF Composite Photothermal Membrane and Its Solar-driven Interfacial Water Evaporation Performance

JIANG Yanli¹, XU Yunsong², WANG Jiankang³, LI Weihao², SONG Ying², WANG Xinzhi², YAO Zhongping²()

^1.Department of Chemistry，Harbin University，Harbin 150086，China
^2.State Key Laboratory of Urban Water Resources and Water Environment，College of Chemical Engineering and Chemistry，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China
^3.School of Materials Science and Engineering，Yangtze Normal University，Fuling 408100，China

Received:2024-10-16 Online:2025-04-10 Published:2024-12-07
Contact: YAO Zhongping E-mail:yaozhongping@hit.edu.cn
Supported by:
the Open Project of State Key Laboratory of Urban Water Resources and Water Environment, Harbin Institute of Technology, China(HCK202407);the National Natural Science Foundation of China(52276152);the Natural Science Foundation of Chongqing, China(SCTB2023NSCQ-MSX0455)

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摘要/Abstract

摘要：

采用化学刻蚀-溶剂热法合成了Ti₃C₂-MXene/CuS复合材料, 再通过真空抽滤将该复合材料负载到聚偏二氟乙烯(PVDF)膜上，构筑了Ti₃C₂-MXene/CuS/PVDF复合光热膜, 并研究了其界面水蒸发性能. X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征结果显示, CuS纳米颗粒将Ti₃C₂-MXene包裹并填满片层间隙. 界面水蒸发性能测试结果表明, 在180 ℃反应9 h所得材料的性能最佳, 在1 kW/m²光照强度下, 其界面水蒸发速率和蒸发效率分别为1.92 kg·m^‒2·h^‒1和110.4%. 此外, 复合光热膜具有较好的海水脱盐效果及良好的循环稳定性. 紫外-可见漫反射光谱(DRS)与光热转换实验结果表明, Ti₃C₂-MXene与CuS的复合提高了其光吸收能力与光热转换效率, 二者的协同效应显著提升了材料的光热转换和界面水蒸发性能. 本工作可为低成本、高性能光热转换材料的开发提供借鉴.

关键词: 界面水蒸发, 光热转换, Ti₃C₂-MXene, CuS

Abstract:

Ti₃C₂-MXene/CuS composite was synthesized by chemical etching and solvothermal method， and then Ti₃C₂-MXene/CuS/PVDF（polyvinylidene fluoride） composite photothermal film was obtained by vacuum filtration. Finally， its interfacial water evaporation performance was studied. X-ray diffraction and scanning electron microscopy characterization showed that CuS nanoparticles successfully coated Ti₃C₂-MXene and filled its lamellar gap. The results of interfacial water evaporation revealed that the best performance was obtained at the reaction temperature of 180 ℃ and the reaction time of 9 h. The interfacial evaporation rate and evaporation efficiency were 1.92 kg·m^‒2·h^‒1 and 110.4%， respectively under light intensity of 1 kW/m². In addition， desalination effect and cycling stability in seawater desalination of the composite photothermal film is good. The results of UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy（DRS） and photothermal conversion performance showed that the combination of Ti₃C₂-MXene and CuS improved the light absorption capacity and photothermal conversion efficiency. By exerting the synergistic effect between them， the photothermal conversion and interfacial evaporation properties of the materials were significantly improved. This work can provide reference for the development of low cost and high performance photothermal conversion materials.

Key words: Interfacial water evaporation, Photothermal conversion, Ti₃C₂-MXene, CuS

中图分类号:

TB34

TrendMD:

姜艳丽, 徐云松, 王建康, 李伟豪, 宋英, 汪新智, 姚忠平. Ti₃C₂-MXene/CuS/PVDF复合光热膜的制备及太阳能驱动界面水蒸发性能. 高等学校化学学报, 2025, 46(4): 20240469.

JIANG Yanli, XU Yunsong, WANG Jiankang, LI Weihao, SONG Ying, WANG Xinzhi, YAO Zhongping. Preparation of Ti₃C₂-MXene/CuS/PVDF Composite Photothermal Membrane and Its Solar-driven Interfacial Water Evaporation Performance. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(4): 20240469.

图/表 20

Fig.1 XRD patterns of CuS, Ti3C2⁃MXene and Ti3C2⁃MXene/CuS prepared at different reaction temperatures(A) and the enlarged part in the 2θ range of 5°—11°(B)

Fig.2 SEM images of Ti3C2⁃MXene/CuS prepared at 120 ℃(A, E), 150 ℃(B, F), 180 ℃(C, G) and CuS at 180 ℃(D, H） with different magnifications

Fig.3 XRD patterns of CuS, Ti3C2⁃MXene and Ti3C2⁃MXene/CuS prepared after different reaction time(A) and the enlarged part in the 2θ range of 5°—11°(B)

Fig.4 SEM images of Ti3C2⁃MXene/CuS prepared after 9 h(A, D), 12 h(B, E) and 15 h(C, F) with different magnifications

Fig.5 UV⁃Vis⁃NIR reflection(A) and absorption(B) spectra of the Ti3C2⁃MXene/CuS samples preparedat different reaction temperatures

Table 1 Absorption rate(%) of the Ti3C2⁃MXene/CuS samples prepared at different temperaturesin different wavebands

Reaction temperature/℃	Absorption rate（%）			Total（%）
Reaction temperature/℃	UV region	Vis region	NIR region	Total（%）
120	94.78	96.25	94.87	95.55
150	95.47	96.53	95.01	95.80
180	96.03	96.60	95.59	96.42

Fig.6 UV⁃Vis⁃NIR reflection(A) and absorption(B) spectra of the Ti3C2⁃MXene/CuS samples preparedafter different reaction time

Table 2 Absorption rate(%) of the Ti3C2⁃MXene/CuS samples prepared after different reaction time in different wavebands

Reaction time/h	Absorption rate（%）			Total（%）
Reaction time/h	UV region	Vis region	NIR region	Total（%）
9	96.14	96.99	95.78	96.42
12	96.03	96.60	95.59	96.13
15	94.88	96.20	94.59	95.53

Fig.7 Surface temperature changes of different samplesa. Water； b. CuS/PVDF； c. Ti3C2-MXene/PVDF； d. Ti3C2-MXene/CuS-120/PVDF； e. Ti3C2-MXene/CuS-150/PVDF； f. Ti3C2-MXene/CuS-180/PVDF.

Fig.8 Interfacial evaporation performance of at different samples（A） Mass changing curve；（B） evaporation rate.a. Water； b. CuS/PVDF； c. Ti3C2-MXene/PVDF； d. Ti3C2-MXene/CuS-120/PVDF； e. Ti3C2-MXene/CuS-150/PVDF； f. Ti3C2-MXene/CuS-180/PVDF.

Fig.9 Interfacial evaporation efficiency of samples obtained at different reaction temperaturesa. Water； b. CuS/PVDF； c. Ti3C2-MXene/PVDF； d. Ti3C2-MXene/CuS-120/PVDF； e. Ti3C2-MXene/CuS-150/PVDF； f. Ti3C2-MXene/CuS-180/PVDF.

Fig.10 Surface temperature changes of differentsamplesa. Water； b. CuS/PVDF； c. Ti3C2-MXene/PVDF； d. Ti3C2-MXene/CuS-9/PVDF； e. Ti3C2-MXene/CuS-12/PVDF； f. Ti3C2-MXene/CuS-15/PVDF.

Fig.11 Interfacial evaporation performance of different samples（A） Mass changing curve；（B） evaporation rate. a. Water； b. CuS/PVDF； c. Ti3C2-MXene/PVDF； d. Ti3C2-MXene/CuS-9/PVDF； e. Ti3C2-MXene/CuS-12/PVDF； f. Ti3C2-MXene/CuS-15/PVDF.

Fig.12 Interfacial evaporation efficiency of samples obtained at different reaction timea. Water； b. CuS/PVDF； c. Ti3C2-MXene/PVDF； d. Ti3C2-MXene/CuS-9/PVDF； e. Ti3C2-MXene/CuS-12/PVDF； f. Ti3C2-MXene/CuS-15/PVDF.

Fig.13 Cyclic stability of Ti3C2⁃MXene/CuS⁃9/PVDF composite photothermal film（A） Cycle performance；（B） mass changing curves under different light intensities.

Fig.14 UV⁃Vis DRS spectra(A) and Tauc curves(B) of CuS and Ti3C2⁃MXene/CuS

Fig.15 Photothermal conversion performance of Ti3C2⁃MXene/CuS⁃9/PVDF composite photothermal filmunder direct irradiation by xenon lamp（A） Surface temperature changing curves；（B） infrared imaging.

Fig.16 Seawater desalination performance of Ti3C2⁃MXene/CuS⁃9/PVDF composite photothermal film（A） Sample cycle performance；（B） contact angle；（C） evaporation film pictures.

Fig.17 Stability test of seawater desalination cycle with composite photothermal film

Fig.18 Concentration change of main ions in simulated seawater before and after desalination

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Ti₃C₂-MXene/CuS/PVDF复合光热膜的制备及太阳能驱动界面水蒸发性能

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