贵州大学谢海波&谢远鹏研究团队：具有低蒸发焓的纤维素衍生水凝胶驱动高效的太阳能蒸发

【研究背景】

界面太阳能蒸发作为一种可持续发展的水处理技术引起了广泛的研究。纤维素因其丰富的储量、可再生性和亲水性，被认为是ISSG的候选材料。纤维素可通过其高活性羟基进行物理和化学交联形成水凝胶或气凝胶。同时，纤维素水凝胶和气凝胶因其丰富的多孔结构、低导热率、高比表面积和低密度而被广泛应用于界面太阳能蒸发器的基底材料。此外，其固有的亲水性羟基可以通过氢键与水分子结合有效地降低蒸发焓。然而，羟基降低蒸发焓的能力有限，导致纤维素基蒸发的蒸发速率通常低于2 kg m-2 h -1。

因此，本文介绍了一种以萘酸酐衍生物作为交联剂和羧基提供者来制备纤维素水凝胶用于高效的界面太阳能蒸发。该纤维素水凝胶具有良好的亲水性和水供应能力，这归功于其多孔结构、羧基和羟基基团。值得注意的是，羧基有效地削弱了水分子之间的氢键相互作用，导致形成更多的中间水，使蒸发焓降低到1198 J g−1。多孔结构使其具有低导热系数0.227 W m−1 K−1，为蒸发提供了良好的的隔热性，最大限度地减少热量的损失。以此纤维素水凝胶为基底材料，竹炭黑作为光热材料制备的太阳能蒸发器，蒸发率达到了3.68 kg m-2 h -1，光热转换效率~97.2 %。此外，该蒸发器还展现了有效的太阳能驱动的海水、污水淡化和重金属离子去除的能力。该研究为高效可持续纤维素基太阳能蒸发器提供了一个很有前景的制备策略。

相关内容以“Cellulose-derived hydrogel with low vaporization enthalpy enables highly efficient solar steam generation” 为题在国际期刊《Carbohydrate Polymers》（中科院一区，IF=10.6）上发表。文章通讯作者为贵州大学谢海波教授和谢远鹏副教授，第一作者为贵州大学材料与冶金学院2023级硕士研究生陈俊波。

【研究内容】

图1.(a)纤维素水凝胶的制备流程示意图。纤维素水凝胶(b) CNH1，(c) CNH2，(d) CNH3的SEM图像，(e)纤维素水凝胶的FT-IR光谱，(f)纤维素水凝胶的XPS光谱，(g) XPS C1s光谱及其CNH3的拟合峰。

图2.(a)纤维素水凝胶的饱和水量。(b)纤维素水凝胶中的结合水、中间水和游离水的示意图。(c) DSC曲线记录了水在完全膨胀的纤维素水凝胶中冷冻后的熔化行为。（d-f）与(d) CNH1、(e) CNH2、(f) CNH3拟合曲线的拉曼光谱。

图3.(a)竹炭黑的UV-vis-NIR吸光度。(b)纤维素水凝胶基蒸发器的表面温度变化。(c)CNH3蒸发器在1个太阳光照下表面温度随时间变化的红外图像。(d)纤维素水凝胶基蒸发器在1个太阳光照下的质量变化曲线。(e)纤维素水凝胶和纯水的DSC测试图。(f)纯水和纤维素水凝胶中的蒸发焓。

图4.(a) CNH1、(b) CNH2、(c) CNH3在干燥状态下的热导率。(d) CNH1, (e) CNH2, (f) CNH3在吸水状态下的热导率。

图5.(a)CNH3蒸发器的盐溶解示意图。(b)纤维素水凝胶蒸发器在3.5 wt%氯化钠溶液中的质量变化图。(c) CNH3在3.5 wt%氯化钠溶液中循环蒸发速率图。(d)蒸发器表面在3.5 wt%的氯化钠溶液中连续蒸发24小时的表面盐积累示意图。(e)净化刚果红溶液前后的紫外−可见光吸收光谱。(f)净化亚甲基蓝前后的紫外−可见光吸收光谱。

图6.(a)太阳能海水淡化的户外实验装置示意图。(b)户外环境温度和太阳通量的变化。(c)户外环境湿度和质量的变化。(d)脱盐前后的离子浓度变化。

【文章总结】

综上所述，本文合成了一种羧化交联纤维素水凝胶，制备了高性能的界面太阳能蒸发器。该纤维素水凝胶具有良好的亲水性，高吸水比为11g g−1，和良好的隔热性，导热系数为0.227 W m−1 K−1。值得注意的是，羧酸基团的引入可以有效地削弱水分子之间的氢键相互作用，从而形成更多的中间水，使水的蒸发焓降低到1198 J g−1。结果表明，以此纤维素水凝胶为基底材料，竹炭黑作为光热材料制备的太阳能蒸发器，蒸发率达到3.68 kg m−2 h−1，光热转换效率~97.2 %。此外，该纤维素水凝胶基蒸发器也表现出良好的耐盐性。并展现了高效的太阳能驱动海水、污水淡化和重金属离子去除的能力。这一研究结果为基于可持续的纤维素基材料构建高效太阳能蒸发器提供了一种新颖的制备方法。

【文献来源】

Cellulose-derived hydrogel with low vaporization enthalpy enables highly efficient solar steam generation. Carbohydrate Polymers 356 (2025) 123385.

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123385