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  近年來(lái)，飲用水短缺和淡水資源分配不平衡已成為迫在眉睫的危機(jī)。傳統(tǒng)海水淡化技術(shù)存在高能耗、設(shè)備腐蝕和鹽積累等問(wèn)題，而太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)技術(shù)因其低能耗和低碳足跡在海水淡化和污水處理方面?zhèn)涫?/span>關(guān)注。然而，鹽水蒸發(fā)速率和耐鹽性仍是其發(fā)展的瓶頸，為了解決這些問(wèn)題，新疆大學(xué)朱若斐副教授課題組提出了氫鍵誘導(dǎo)自組裝構(gòu)筑多級(jí)強(qiáng)氫鍵網(wǎng)絡(luò)纖維素水凝膠的新策略，來(lái)改善纖維素基水凝膠在分子尺度下水輸運(yùn)路徑不可控、氫鍵動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性不足的問(wèn)題。相關(guān)研究成果以“Multi-Bionic Strategies Integration in Cellulose Nanofiber-Based Metagels with Strong Hydrogen-Bonded Network for Solar-Driven Water Evaporation”發(fā)表于《Advanced Fiber Materials》。

  該研究通過(guò)強(qiáng)堿誘導(dǎo)纖維素納米纖維晶型重構(gòu)，在分子間引入高度取向的氫鍵協(xié)同交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，強(qiáng)化氫鍵締合作用實(shí)現(xiàn)水凝膠從分子尺度到納米-微米尺度的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，顯著提升界面蒸發(fā)過(guò)程中水分子擴(kuò)散的方向性及滲透通量。受自然界蓮花的多重理念啟發(fā)（圖1），水凝膠集成了蓮花的3D外觀構(gòu)型、親水性蓮花花瓣(WCA=0°)和疏水性蓮葉(WCA=132°)的Janus潤(rùn)濕性以及植物水分蒸騰作用。獨(dú)特的蓮花3D構(gòu)造使水凝膠在海水淡化過(guò)程中可以從環(huán)境中獲得額外的能量補(bǔ)充，Janus潤(rùn)濕性不僅使其具有自漂浮能力并在鹽水蒸發(fā)過(guò)程中具有單向的鹽離子回流通道從而實(shí)現(xiàn)自脫鹽，并且利用水凝膠內(nèi)部的強(qiáng)氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加速了水分子在其內(nèi)部的擴(kuò)散和蒸發(fā)，在一個(gè)太陽(yáng)光輻射下，水分蒸發(fā)率高達(dá)3.61kg·m^-2·h^-1，蒸發(fā)效率為94.94%，為海水淡化提供了一種耐鹽且高效的技術(shù)支持。

圖1. 具有3D蓮花外觀的纖維素基水凝膠設(shè)計(jì)理念

  低成本炭黑納米顆粒的引入使得纖維素基水凝膠全光譜太陽(yáng)能的吸收率達(dá)到了98.24%，并且水凝膠在1.0和2.0標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照射下，表面溫度分別從21°C迅速上升到約72°C和95°C，表明其作為太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)器的潛力。當(dāng)水凝膠漂浮于氣液界面時(shí)，熱量被局限在氣液界面，導(dǎo)致在界面處有最大的蒸發(fā)效果。此外，由于獨(dú)特的3D蓮花構(gòu)造，水凝膠在蒸發(fā)過(guò)程中底部的陰影處存在大量低于環(huán)境溫度和水溫的冷區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)能量從環(huán)境到較冷（亞環(huán)境）表面的環(huán)境能量補(bǔ)充從而加速水的蒸發(fā)。

圖2. 纖維素基水凝膠的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)性能

  染料廢水的處理一直是紡織工業(yè)的長(zhǎng)期瓶頸，該研究將含有大量無(wú)機(jī)鹽類(lèi)和染色助劑的酸性藍(lán)染料（羊毛染色的副產(chǎn)品）和活性紅染料（棉花染色的副產(chǎn)品）廢水作為典型污染物，使用纖維素基水凝膠進(jìn)行界面水蒸發(fā)，成功實(shí)現(xiàn)了脫色和脫鹽效果，凈化水的離子含量遠(yuǎn)低于WHO對(duì)飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。此外，為了證明水凝膠蒸發(fā)器的海水脫鹽性能，該研究對(duì)來(lái)自世界不同地區(qū)的三個(gè)海水樣品進(jìn)行了蒸發(fā)測(cè)試，結(jié)果均驗(yàn)證了其出色的鹽分去除能力。另外，海水淡化期間水凝膠也展現(xiàn)了優(yōu)異的耐鹽性和自脫鹽性能，這是由于水凝膠的超親水蓮花花瓣可以實(shí)現(xiàn)鹽回流和水蒸發(fā)，底部的疏水荷葉結(jié)構(gòu)可以阻止底部鹽水的濃縮結(jié)晶，水凝膠的多孔結(jié)構(gòu)在不同的方向上提供了許多有效的水輸送通道（圖3），這些通道的流動(dòng)連接了蒸發(fā)界面和鹽水以確保超快的鹽傳輸。此外，還利用分子動(dòng)力學(xué)模擬，分析了纖維素基水凝膠交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在分子水平上對(duì)水蒸發(fā)的優(yōu)勢(shì)，這種強(qiáng)氫鍵連接了材料內(nèi)部中的大量分子，使得水分子通過(guò)通道結(jié)構(gòu)快速擴(kuò)散并在界面上加速蒸發(fā)。

圖3. 纖維素基水凝膠的海水淡化及廢水凈化性能

  為了探討水凝膠材料作為界面蒸發(fā)器在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的適用性，本研究在新疆大學(xué)校園進(jìn)行了戶外實(shí)驗(yàn)(圖4，中國(guó)烏魯木齊)。水凝膠蒸發(fā)器在戶外陽(yáng)光的照射下表面溫度迅速上升并凝結(jié)成清潔水，并且蒸發(fā)器的側(cè)面和中心區(qū)域之間有明顯的溫差，側(cè)邊溫度和底部溫度均明顯低于環(huán)境溫度，證實(shí)了環(huán)境溫度對(duì)其獨(dú)特影響，以及水凝膠材料對(duì)室外環(huán)境的適應(yīng)性。此外，將纖維素基水凝膠與商用塑料共同掩埋于布滿種子的土壤中，其可以在30天內(nèi)完全降解，并且期間用凈化鹽水持續(xù)灌溉使得種子萌發(fā)，驗(yàn)證了水凝膠的可降解性以及凈化水的無(wú)毒性。通過(guò)將小鼠胚胎成骨前細(xì)胞MC3T3-E1在纖維素基水凝膠中孵育48小時(shí)后觀測(cè)活/死細(xì)胞數(shù)驗(yàn)證了其無(wú)毒的生物相容性，證明了這一生物質(zhì)衍生材料的綠色和可持續(xù)發(fā)展理念。

圖4. 纖維素基水凝膠的戶外實(shí)驗(yàn)及生物相容性

  綜上所述，本研究提出了一種創(chuàng)新的策略，結(jié)合氫鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和多種仿生特性，設(shè)計(jì)了一種高效的可持續(xù)和生物可降解的纖維素基水凝膠并用作太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面蒸發(fā)器。其實(shí)現(xiàn)了對(duì)世界不同地區(qū)海水資源的長(zhǎng)期凈化，保證了鹽離子的反向通道流動(dòng)和自溶解。在干旱地區(qū)自然光下進(jìn)行的室外水分蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明每平米的纖維素基水凝膠可以滿足8個(gè)成年人的日常飲用水需求，并驗(yàn)證了凈化水的安全性，這項(xiàng)工作的發(fā)現(xiàn)有望解決海洋污染和水資源短缺的問(wèn)題。

  該研究成果“Multi-Bionic Strategies Integration in Cellulose Nanofiber-Based Metagels with Strong Hydrogen-Bonded Network for Solar-Driven Water Evaporation”(DOI:10.1007/s42765-025-00517-w)論文第一作者及通訊作者為新疆大學(xué)紡織與服裝學(xué)院朱若斐副教授。

  原文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-025-00517-w