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(tǒng)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(yè)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(fā)（SDIE）技術因其使用太陽能作為唯一能源輸入，且對環(huán)境影響小而受到關注，但其水蒸發(fā)率和鹽耐受性仍有待提高。

文章概述

新疆大學紡織與服裝學院朱若斐副教授團隊受自然界中發(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(fā)器的限制）下，水蒸發(fā)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(huán)境中吸收額外的能量，從而實現(xiàn)94.94%的最大水分蒸發(fā)效率。具有Janus潤濕性的雙多孔結構使蒸發(fā)器在蒸發(fā)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(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。

圖文導讀

1. 3DL Metagel蒸發(fā)器的設計策略

受天然蓮花結構和潤濕性啟發(fā)，研究人員開發(fā)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(lián)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(fā)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(xiàn)了水分從底部至頂部的快速輸運與蒸發(fā)。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(xù)溫度梯度，顯著加速蒸發(fā)。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(lián)網絡，既穩(wěn)定結構又降低界面水汽化焓，最終實現(xiàn)高效太陽能驅動海水淡化。

圖1 3DL Metagel蒸發(fā)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(lián)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(lián)劑促使纖維素晶型從I型轉變?yōu)镮I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(lián)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(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。

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(fā)性能

含有炭黑（CB）納米顆粒的3DL Metagel展現(xiàn)出98.24%的太陽光吸收率，并具備優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性。其蒸發(fā)性能顯著超越對照組，二維結構的Metagel#2蒸發(fā)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(fā)。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(xiàn)93.12%的太陽能蒸發(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)已報道的凝膠/非凝膠基蒸發(fā)器，綜合性能處于領先水平。

圖3 太陽能驅動的水蒸發(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(huán)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(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。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(shù)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(fā)，疏水“荷葉”基底阻隔鹽結晶）和多孔通道結構（實現(xiàn)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(xù)96小時光照測試中，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(qū)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(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在實際戶外測試中展現(xiàn)出優(yōu)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(fā)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(xié)同完成，最終產物為環(huán)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(fā)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(yǎng)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(xù)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(fā)室外實驗的光學和紅外圖像。b 室外測試期間風速、濕度、環(huán)境溫度和蒸發(fā)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(fā)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(fā)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(yǎng)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(chuàng)新策略，將氫鍵交聯(lián)網絡和多種仿生特征相結合，以設計一種可持續(xù)且可生物降解的高效太陽能驅動界面蒸發(fā)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(fā)，采用超親水蓮花上層和疏水性荷葉下層組成的Janus雙層結構設計，實現(xiàn)高效的自下而上的水運輸。來自環(huán)境的能量輸入促進了界面水分蒸發(fā)，導致超快蒸發(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(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蓮花結構，實現(xiàn)了對從世界不同地區(qū)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(fā)現(xiàn)為使用多種仿生概念和氫鍵網絡的調節(jié)可持續(xù)地增強太陽能海水淡化鋪平了道路。

創(chuàng)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(fā)器優(yōu)異的性能，使其在太陽能驅動的水蒸發(fā)方面表現(xiàn)出色，實現(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(fā)焓，加速了水分子在CNF之間的擴散，還提高了材料的結構穩(wěn)定性和水蒸發(fā)效率，為實現(xiàn)高效光熱轉換和水蒸發(fā)提供了有力支持。

文章來源

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

來源：Go Cellulose