研究背景
随着工业化和城市化的快速发展，环境污染和能源短缺已成为全球性挑战。废水中含有的染料、抗生素和药物等有害物质对生态系统和人类健康构成严重威胁。据世界水资源评估计划（WWAP）报告，每年约有1亿人、100万海鸟和10万海洋哺乳动物因水污染而死亡。预计到2025年，干旱地区将有超过10亿人面临严重的水资源短缺问题。与此同时，全球能源需求的增长加剧了传统化石燃料的开采和枯竭。因此，有效利用清洁太阳能，如光催化、光热转换和热能储存，成为缓解这些挑战的有前景的方法。然而，传统的光催化剂和相变材料（PCMs）存在能量转换效率低、成本高和制备过程复杂等问题。更令人担忧的是，这些光催化剂和PCMs往往只执行单一功能，无法有效整合以解决上述所有问题。因此，迫切需要开发能够满足这些需求的多功能材料，以应对环境污染和能源短缺的持续挑战。
成果简介
在这项研究中，研究人员开发了一种新型的NH2-MIL-88B/Ta4C3TX/石墨烯气凝胶（TMGA），通过水热和冷冻干燥方法合成，这些气凝胶具有独特的结构特征，包括分层多孔结构、低密度和大比表面积。此外，NH2-MIL-88B、Ta4C3TX MXene和气凝胶基质的协同效应，赋予了气凝胶高阳光吸收率和与太阳能光谱相匹配的最佳光学带隙等卓越的物理化学性质。这些特性使气凝胶能够高效光降解高浓度的各种染料和抗生素药物溶液。光降解效率分别达到了刚果红75.57%、亚甲基蓝61.56%和四环素盐酸盐58.57%。此外，这些气凝胶还表现出对各种染料和药物的显著吸附能力。通过将相变材料聚乙烯乙二醇成功整合到气凝胶中，它们展现出了优异的热能储存性能和防漏能力。高达90.15%的光热转换效率、202.13 J g−1的相变焓和98.55%的焓效率证明了这一点。这项工作为开发旨在解决废水处理和能源短缺挑战的多功能气凝胶提供了宝贵的见解。
图文导读
图1 TMGA-3的FESEM图像，展示了不同放大倍数下的多孔网络结构，插图为TMGA-3的数字照片。
图2 (a) Ta4C3TX及其Ta4AlC3前驱体的XRD图谱；(b) NH2-MIL-88B、Ta4C3TX和TMGA-3的FTIR光谱；TMGA-3的XPS光谱：(c) 概览，(d) C 1s，(e) Fe 2p，(f) Ta 4f。
图3(a) NH2-MIL-88B和TMGA气凝胶的UV-Vis DRS；(b) 根据Tauc图确定TMGA气凝胶的光学带隙。
图4 (a-c) CR、MB和TC-HCl随辐照时间变化的紫外-可见光谱，以及TMGA对这些染料/药物溶液光降解的光催化活性(d-f)，以及相应的准一级动力学曲线(g-i)。
图5 (a) NH2-MIL-88B和TMGA-4的PL光谱，以及(b)抑制剂对CR降解的影响。
图6 TMGA对CR、MB和TC-HCl的平衡吸附容量。
小结
研究人员通过水热和冷冻干燥技术成功合成了NH2-MIL-88B/Ta4C3TX/石墨烯气凝胶。这些气凝胶具有多孔微观结构，表面积大，阳光吸收性能卓越，光学带隙适宜。它们对多种有机污染物溶液表现出显著的光降解性能，包括阴离子和阳离子染料以及抗生素药物。光降解效率分别达到了刚果红75.57%、亚甲基蓝61.56%和四环素盐酸盐58.57%。此外，这些气凝胶还展现出对各种染料和药物的优异广谱吸附能力，吸附容量分别达到574.04、334.30和218.54 mg g⁻1。当与相变材料PEG结合时，气凝胶展现出193.59至202.13 J g−1的熔化焓，实现了98.55%的高焓效率。此外，这些气凝胶有效地将太阳能转化为热能，并高效释放，通过可逆的相变展现出卓越的长期稳定性和可靠性。值得注意的是，气凝胶对PEG的抗漏性能优越。本研究中引入的NH2-MIL-88B/Ta4C3TX/石墨烯气凝胶为开发在环境和能源领域最大化太阳能应用的多功能材料提供了新的见解。
文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119823
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