《AFM》新疆大學(xué)朱若斐：纖維素納米纖維基水凝膠實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的水蒸發(fā)！

研究背景

清潔淡水的稀缺是一個(gè)全球性問題，海水淡化是解決清潔水需求的一個(gè)可行方案。傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)（如多級(jí)閃蒸、膜蒸餾、電滲析和反滲透）雖然已經(jīng)商業(yè)化，但它們需要大量的熱能或電力，導(dǎo)致能源消耗高，運(yùn)營(yíng)成本受能源市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)影響大。太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面蒸發(fā)（SDIE）技術(shù)因其使用太陽(yáng)能作為唯一能源輸入，且對(duì)環(huán)境影響小而受到關(guān)注，但其水蒸發(fā)率和鹽耐受性仍有待提高。

文章概述

新疆大學(xué)紡織與服裝學(xué)院朱若斐副教授團(tuán)隊(duì)受自然界中發(fā)現(xiàn)的多種生物特性的啟發(fā)，3DL Metagel蒸發(fā)器整合了蓮花形狀、Janus潤(rùn)濕性（具有疏水性蓮花葉的超親水蓮花）和植物蒸騰作用，在1.0太陽(yáng)輻射下（超過二維蒸發(fā)器的限制）下，水蒸發(fā)率高達(dá) 3.61 kg m-2 h-1。獨(dú)特的蓮花形狀使3DL Metagel能夠在海水淡化過程中從環(huán)境中吸收額外的能量，從而實(shí)現(xiàn)94.94%的最大水分蒸發(fā)效率。具有Janus潤(rùn)濕性的雙多孔結(jié)構(gòu)使蒸發(fā)器在蒸發(fā)過程中具有自浮動(dòng)能力和單向鹽離子回流通道，為海水淡化提供了耐鹽技術(shù)。值得注意的是，蒸發(fā)器可用于濕度極低的干旱地區(qū)的高效戶外水凈化，并且可生物降解和生物相容性。

圖文導(dǎo)讀

1. 3DL Metagel蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)策略

受天然蓮花結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性啟發(fā)，研究人員開發(fā)出具有仿生設(shè)計(jì)的三維蓮狀纖維素納米纖維超凝膠（3DL Metagel）。該材料通過改變纖維素納米纖維（CNF）的晶型（I型轉(zhuǎn)II型）調(diào)控凝膠化，并結(jié)合磷酸銨（AP）粘合劑與炭黑（CB）光熱納米顆粒，形成由無(wú)機(jī)-有機(jī)氫鍵交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。利用冰模板法塑造的蓮花狀結(jié)構(gòu)具有微米/納米多孔表面，大幅提升光熱轉(zhuǎn)換效率與水分蒸發(fā)能力。其獨(dú)特的Janus潤(rùn)濕性賦予材料自漂浮特性，形成單向水流通道，有效防止脫鹽過程中的鹽分積累。這種仿蒸騰作用的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了水分從底部至頂部的快速輸運(yùn)與蒸發(fā)。超凝膠內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)使其具備超輕特性，配合迅速升高的表面溫度與持續(xù)溫度梯度，顯著加速蒸發(fā)。理論計(jì)算表明，AP與CNF分子間強(qiáng)氫鍵結(jié)合能形成的低能交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既穩(wěn)定結(jié)構(gòu)又降低界面水汽化焓，最終實(shí)現(xiàn)高效太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)海水淡化。

圖1 3DL Metagel蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)策略。a 蓮花狀3DL Metagel的示意圖。b 3DL Metagel的多仿生設(shè)計(jì)示意圖。c 由蒲公英支撐的超輕超凝膠;3DL Metagel的Janus潤(rùn)濕性和光熱性能（插圖：不同位置的水接觸角）。d 兩個(gè)CNF分子之間以及CNF和AP分子之間交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合能的DFT計(jì)算。

2. 3DL Metagel結(jié)構(gòu)分析

通過SEM圖像觀察到3DL Metagel內(nèi)部具有開放的海綿狀結(jié)構(gòu)，約200μm的互連大孔結(jié)構(gòu)顯著提升水分向上傳輸與蒸汽逸出效率。XRD分析證實(shí)材料制備過程中，NaOH和檸檬酸（CA）交聯(lián)劑促使纖維素晶型從I型轉(zhuǎn)變?yōu)镮I型，此過程降低纖維素聚合度并增強(qiáng)與AP粘合劑的結(jié)合能力，從而改善水凝膠加工性。FTIR光譜明確顯示AP與CNF間形成強(qiáng)氫鍵網(wǎng)絡(luò),XPS與EDS分析則直接確認(rèn)AP-CNF無(wú)機(jī)-有機(jī)氫鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的成功構(gòu)建，且元素映射顯示P、Al均勻分布。這些結(jié)構(gòu)特征協(xié)同降低了界面水蒸發(fā)能耗，為高效水傳輸與蒸發(fā)提供基礎(chǔ)。

圖2 Metagels的結(jié)構(gòu)分析。a 3DL Metagel的橫截面SEM圖像。不同超凝膠的b XRD、c FTIR、d XPS光譜。e 高分辨率C 1 s、f O 1 s、g P 2p、h EDS 光譜和3DL Metagel的i 元素映射圖像。

3. 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的水蒸發(fā)性能

含有炭黑（CB）納米顆粒的3DL Metagel展現(xiàn)出98.24%的太陽(yáng)光吸收率，并具備優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性。其蒸發(fā)性能顯著超越對(duì)照組，二維結(jié)構(gòu)的Metagel#2蒸發(fā)速率為2.29 kg m-2 h-1，而三維蓮狀設(shè)計(jì)的3DL Metagel達(dá)到3.61 kg m-2 h-1，提升達(dá)1.57倍。溫度分布分析顯示表面中心溫度升至40.2°C（ΔT=18.2°C），而底面僅24.4°C，形成高效熱約束效應(yīng)，使熱量集中于氣液界面加速蒸發(fā)。紅外圖像進(jìn)一步證實(shí)其分層溫度結(jié)構(gòu)，頂面高溫與底面低溫形成鮮明對(duì)比。最終，3DL Metagel實(shí)現(xiàn)93.12%的太陽(yáng)能蒸發(fā)效率和94.94%的總效率，其蒸發(fā)速率（3.61 kg m-2 h-1）超越多數(shù)已報(bào)道的凝膠/非凝膠基蒸發(fā)器，綜合性能處于領(lǐng)先水平。

圖3 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的水蒸發(fā)性能。a 不同超凝膠的吸光度光譜。b 不同超凝膠在陽(yáng)光照射下的光熱性能。c 不同超凝膠在2.0陽(yáng)光照射下的光熱循環(huán)性能。d 不同超凝膠在陽(yáng)光照射下的水質(zhì)量隨時(shí)間的變化。e 界面蒸發(fā)過程中不同超凝膠的濕表面溫度變化。f 界面蒸發(fā)過程中3DL Metagel的濕表面溫度變化與環(huán)境溫度效應(yīng)。g 界面蒸發(fā)過程中Metagel#2和3DL Metagel的熱紅外圖像。h 水分蒸發(fā)速率和效率不同metagel。i 3DL Metagel蒸發(fā)器的綜合性能比較。

4. 3DL Metagel的廢水凈化和海水淡化能力

3DL Metagel在染料廢水處理中表現(xiàn)卓越，成功凈化含酸性藍(lán)染料和活性紅染料的廢水（20 mg/L），凈化后染料特征吸收峰完全消失，吸光度趨近于零。同時(shí)，該材料對(duì)全球不同海域海水進(jìn)行淡化后，鹽度降低三個(gè)數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)；純化水中的SO42+、Na+、Mg2+、Ca2+等離子濃度亦顯著低于飲用水限值。其卓越的耐鹽性源于兩大特性：Janus潤(rùn)濕性（超親水“蓮花瓣”促進(jìn)鹽回流與蒸發(fā)，疏水“荷葉”基底阻隔鹽結(jié)晶）和多孔通道結(jié)構(gòu)（實(shí)現(xiàn)鹽分超快輸運(yùn)）。實(shí)驗(yàn)證明，置于材料表面的2 g鹽晶可在25分鐘內(nèi)自溶解，且在黃海海水連續(xù)96小時(shí)光照測(cè)試中，蒸發(fā)速率穩(wěn)定維持在3.5 kg m-2 h-1。

圖4 3DL Metagel的廢水凈化和海水淡化能力。a 酸性藍(lán)色染料的紫外-可見吸收光譜，b 純化前后的反應(yīng)性紅溶液。c 凈化前后活性紅色染色廢水中四種離子的濃度。d 海水淡化前后不同地區(qū)3種海水的鹽度變化。e 時(shí)間序列光學(xué)圖像，表征了 2 g 染色的 NaCl 固體晶體在海水淡化過程中在3DL Metagel表面的再溶解過程。f 3DL Metagel 底部鹽離子通道流動(dòng)的光學(xué)圖像。g 3DL Metagel的氫鍵相互作用的分子動(dòng)力學(xué)模擬快照。h 在CNF-CNF和AP-CNF系統(tǒng)上每平方埃米形成的氫鍵數(shù)量的小提琴圖。i CNF-CNF和AP-CNF系統(tǒng)上氧原子的均方位移。

5. 3DL Metagel的生物相容性

3DL Metagel在實(shí)際戶外測(cè)試中展現(xiàn)出優(yōu)異性能，陽(yáng)光照射10分鐘后即產(chǎn)生大量水蒸氣，紅外圖像證實(shí)其表面形成顯著溫差，平均蒸發(fā)通量達(dá)2.39 kg m-2 h-1。按WHO組織成人日均需水2.5-3.5 kg計(jì)算，1 m2材料可滿足8人日用水需求。生物相容性與降解性實(shí)驗(yàn)證明，土壤掩埋30天后，3DL Metagel與純纖維素（CNF）被微生物完全降解，其降解過程由細(xì)菌與真菌分泌的纖維素酶協(xié)同完成，最終產(chǎn)物為環(huán)境友好的葡萄糖單體。同時(shí)，用該材料淡化水灌溉的植物種子正常萌發(fā)生長(zhǎng)。細(xì)胞毒性測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證安全性。小鼠胚胎成骨細(xì)胞在材料中培養(yǎng)48小時(shí)后存活率達(dá)92.4 ± 0.8%，與對(duì)照組無(wú)顯著差異，表明其作為纖維素基材料兼具生物可降解性與生物相容性，是可持續(xù)的綠色水資源解決方案。

圖5 3DL Metagel的戶外實(shí)驗(yàn)和生物相容性測(cè)試。a 2024年6月9日12：00至17：00（新疆大學(xué)校園）3DL Metagel實(shí)時(shí)水分蒸發(fā)室外實(shí)驗(yàn)的光學(xué)和紅外圖像。b 室外測(cè)試期間風(fēng)速、濕度、環(huán)境溫度和蒸發(fā)器平均溫度的變化。c 太陽(yáng)強(qiáng)度、同步水質(zhì)量變化和3DL Metagel的水分蒸發(fā)速率隨時(shí)間的變化。d 用植物種子直接埋在天然土壤中30天并用界面蒸發(fā)凈化的水灌溉的不同樣品的生物降解測(cè)量照片。e 將MC3T3-E1細(xì)胞培養(yǎng)到3DL Metagel上48小時(shí)后活/死測(cè)定的熒光圖像。f 與不同材料一起孵育的MC3T3-E1細(xì)胞的細(xì)胞活力。

結(jié)論

本文提出了一種創(chuàng)新策略，將氫鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和多種仿生特征相結(jié)合，以設(shè)計(jì)一種可持續(xù)且可生物降解的高效太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)器（3DL Metagel）。3DL Metagel受自然界中蓮花獨(dú)特結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性和蒸騰作用的啟發(fā)，采用超親水蓮花上層和疏水性荷葉下層組成的Janus雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效的自下而上的水運(yùn)輸。來(lái)自環(huán)境的能量輸入促進(jìn)了界面水分蒸發(fā)，導(dǎo)致超快蒸發(fā)（蒸發(fā)速率為3.61 kg m?2 h?1，能效為94.94%）。通過將纖維素晶型從I型調(diào)整為II型，并將具有極低結(jié)合能的AP粘合劑引入CNF分子（?358.6 kcal mol?1），從而有效降低水分蒸發(fā)的焓，大大優(yōu)化了界面蒸發(fā)的能量需求。3DL Metagel 蒸發(fā)器憑借其Janus蓮花結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)從世界不同地區(qū)獲得的海水資源的長(zhǎng)期凈化，確保了鹽離子的反向通道流動(dòng)和自溶。這項(xiàng)工作的發(fā)現(xiàn)為使用多種仿生概念和氫鍵網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)可持續(xù)地增強(qiáng)太陽(yáng)能海水淡化鋪平了道路。

創(chuàng)新點(diǎn)

將蓮花的形狀、Janus潤(rùn)濕性（超親水的蓮花花和超疏水的蓮葉）和植物的蒸騰作用等多種生物特性集成于一體，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予了3DL Metagel蒸發(fā)器優(yōu)異的性能，使其在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的水蒸發(fā)方面表現(xiàn)出色，實(shí)現(xiàn)了高效的海水淡化和廢水凈化。

啟發(fā)

通過在纖維素納米纖維（CNF）表面引入氫氧化鋁磷酸鹽（AP），構(gòu)建了無(wú)機(jī)-有機(jī)氫鍵網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅降低了水分子的蒸發(fā)焓，加速了水分子在CNF之間的擴(kuò)散，還提高了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和水蒸發(fā)效率，為實(shí)現(xiàn)高效光熱轉(zhuǎn)換和水蒸發(fā)提供了有力支持。

文章來(lái)源

https://doi.org/10.1007/s42765-025-00517-w

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