《AFM》新疆大學朱若斐：纖維素納米纖維基水凝膠實現太陽能驅動的水蒸發！

研究背景

清潔淡水的稀缺是一個全球性問題，海水淡化是解決清潔水需求的一個可行方案。傳統的海水淡化技術（如多級閃蒸、膜蒸餾、電滲析和反滲透）雖然已經商業化，但它們需要大量的熱能或電力，導致能源消耗高，運營成本受能源市場價格波動影響大。太陽能驅動的界面蒸發（SDIE）技術因其使用太陽能作為唯一能源輸入，且對環境影響小而受到關注，但其水蒸發率和鹽耐受性仍有待提高。

文章概述

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

圖文導讀

1. 3DL Metagel蒸發器的設計策略

受天然蓮花結構和潤濕性啟發，研究人員開發出具有仿生設計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II型）調控凝膠化，并結合磷酸銨（AP）粘合劑與炭黑（CB）光熱納米顆粒，形成由無機-有機氫鍵交聯的網絡。利用冰模板法塑造的蓮花狀結構具有微米/納米多孔表面，大幅提升光熱轉換效率與水分蒸發能力。其獨特的Janus潤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計實現了水分從底部至頂部的快速輸運與蒸發。超凝膠內部的多孔結構使其具備超輕特性，配合迅速升高的表面溫度與持續溫度梯度，顯著加速蒸發。理論計算表明，AP與CNF分子間強氫鍵結合能形成的低能交聯網絡，既穩定結構又降低界面水汽化焓，最終實現高效太陽能驅動海水淡化。

圖1 3DL Metagel蒸發器的設計策略。a 蓮花狀3DL Metagel的示意圖。b 3DL Metagel的多仿生設計示意圖。c 由蒲公英支撐的超輕超凝膠;3DL Metagel的Janus潤濕性和光熱性能（插圖：不同位置的水接觸角）。d 兩個CNF分子之間以及CNF和AP分子之間交聯網絡結合能的DFT計算。

2. 3DL Metagel結構分析

通過SEM圖像觀察到3DL Metagel內部具有開放的海綿狀結構，約200μm的互連大孔結構顯著提升水分向上傳輸與蒸汽逸出效率。XRD分析證實材料制備過程中，NaOH和檸檬酸（CA）交聯劑促使纖維素晶型從I型轉變為II型，此過程降低纖維素聚合度并增強與AP粘合劑的結合能力，從而改善水凝膠加工性。FTIR光譜明確顯示AP與CNF間形成強氫鍵網絡,XPS與EDS分析則直接確認AP-CNF無機-有機氫鍵交聯網絡的成功構建，且元素映射顯示P、Al均勻分布。這些結構特征協同降低了界面水蒸發能耗，為高效水傳輸與蒸發提供基礎。

圖2 Metagels的結構分析。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. 太陽能驅動的水蒸發性能

含有炭黑（CB）納米顆粒的3DL Metagel展現出98.24%的太陽光吸收率，并具備優異的光熱穩定性。其蒸發性能顯著超越對照組，二維結構的Metagel#2蒸發速率為2.29 kg m-2 h-1，而三維蓮狀設計的3DL Metagel達到3.61 kg m-2 h-1，提升達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，使熱量集中于氣液界面加速蒸發。紅外圖像進一步證實其分層溫度結構，頂面高溫與底面低溫形成鮮明對比。最終，3DL Metagel實現93.12%的太陽能蒸發效率和94.94%的總效率，其蒸發速率（3.61 kg m-2 h-1）超越多數已報道的凝膠/非凝膠基蒸發器，綜合性能處于領先水平。

圖3 太陽能驅動的水蒸發性能。a 不同超凝膠的吸光度光譜。b 不同超凝膠在陽光照射下的光熱性能。c 不同超凝膠在2.0陽光照射下的光熱循環性能。d 不同超凝膠在陽光照射下的水質量隨時間的變化。e 界面蒸發過程中不同超凝膠的濕表面溫度變化。f 界面蒸發過程中3DL Metagel的濕表面溫度變化與環境溫度效應。g 界面蒸發過程中Metagel#2和3DL Metagel的熱紅外圖像。h 水分蒸發速率和效率不同metagel。i 3DL Metagel蒸發器的綜合性能比較。

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卓越，成功凈化含酸性藍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，該材料對全球不同海域海水進行淡化后，鹽度降低三個數量級，遠低于標準；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潤濕性（超親水“蓮花瓣”促進鹽回流與蒸發，疏水“荷葉”基底阻隔鹽結晶）和多孔通道結構（實現鹽分超快輸運）。實驗證明，置于材料表面的2 g鹽晶可在25分鐘內自溶解，且在黃海海水連續96小時光照測試中，蒸發速率穩定維持在3.5 kg m-2 h-1。

圖4 3DL Metagel的廢水凈化和海水淡化能力。a 酸性藍色染料的紫外-可見吸收光譜，b 純化前后的反應性紅溶液。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3種海水的鹽度變化。e 時間序列光學圖像，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的光學圖像。g 3DL Metagel的氫鍵相互作用的分子動力學模擬快照。h 在CNF-CNF和AP-CNF系統上每平方埃米形成的氫鍵數量的小提琴圖。i CNF-CNF和AP-CNF系統上氧原子的均方位移。

5. 3DL Metagel的生物相容性

3DL Metagel在實際戶外測試中展現出優異性能，陽光照射10分鐘后即產生大量水蒸氣，紅外圖像證實其表面形成顯著溫差，平均蒸發通量達2.39 kg m-2 h-1。按WHO組織成人日均需水2.5-3.5 kg計算，1 m2材料可滿足8人日用水需求。生物相容性與降解性實驗證明，土壤掩埋30天后，3DL Metagel與純纖維素（CNF）被微生物完全降解，其降解過程由細菌與真菌分泌的纖維素酶協同完成，最終產物為環境友好的葡萄糖單體。同時，用該材料淡化水灌溉的植物種子正常萌發生長。細胞毒性測試進一步驗證安全性。小鼠胚胎成骨細胞在材料中培養48小時后存活率達92.4 ± 0.8%，與對照組無顯著差異，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，是可持續的綠色水資源解決方案。

圖5 3DL Metagel的戶外實驗和生物相容性測試。a 2024年6月9日12：00至17：00（新疆大學校園）3DL Metagel實時水分蒸發室外實驗的光學和紅外圖像。b 室外測試期間風速、濕度、環境溫度和蒸發器平均溫度的變化。c 太陽強度、同步水質量變化和3DL Metagel的水分蒸發速率隨時間的變化。d 用植物種子直接埋在天然土壤中30天并用界面蒸發凈化的水灌溉的不同樣品的生物降解測量照片。e 將MC3T3-E1細胞培養到3DL Metagel上48小時后活/死測定的熒光圖像。f 與不同材料一起孵育的MC3T3-E1細胞的細胞活力。

結論

本文提出了一種創新策略，將氫鍵交聯網絡和多種仿生特征相結合，以設計一種可持續且可生物降解的高效太陽能驅動界面蒸發器（3DL Metagel）。3DL Metagel受自然界中蓮花獨特結構、潤濕性和蒸騰作用的啟發，采用超親水蓮花上層和疏水性荷葉下層組成的Janus雙層結構設計，實現高效的自下而上的水運輸。來自環境的能量輸入促進了界面水分蒸發，導致超快蒸發（蒸發速率為3.61 kg m?2 h?1，能效為94.94%）。通過將纖維素晶型從I型調整為II型，并將具有極低結合能的AP粘合劑引入CNF分子（?358.6 kcal mol?1），從而有效降低水分蒸發的焓，大大優化了界面蒸發的能量需求。3DL Metagel 蒸發器憑借其Janus蓮花結構，實現了對從世界不同地區獲得的海水資源的長期凈化，確保了鹽離子的反向通道流動和自溶。這項工作的發現為使用多種仿生概念和氫鍵網絡的調節可持續地增強太陽能海水淡化鋪平了道路。

創新點

將蓮花的形狀、Janus潤濕性（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，這種獨特的結構設計賦予了3DL Metagel蒸發器優異的性能，使其在太陽能驅動的水蒸發方面表現出色，實現了高效的海水淡化和廢水凈化。

啟發

通過在纖維素納米纖維（CNF）表面引入氫氧化鋁磷酸鹽（AP），構建了無機-有機氫鍵網絡。這種網絡結構不僅降低了水分子的蒸發焓，加速了水分子在CNF之間的擴散，還提高了材料的結構穩定性和水蒸發效率，為實現高效光熱轉換和水蒸發提供了有力支持。

文章來源

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

來源：Go Cellulose