《AFM》新疆大学朱若斐：纤维素纳米纤维基水凝胶实现太阳能驱动的水蒸发！

研究背景

清洁淡水的稀缺是一个全球性问题，海水淡化是解决清洁水需求的一个可行方案。传统的海水淡化技术（如多级闪蒸、膜蒸馏、电渗析和反渗透）虽然已经商业化，但它们需要大量的热能或电力，导致能源消耗高，运营成本受能源市场价格波动影响大。太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）技术因其使用太阳能作为唯一能源输入，且对环境影响小而受到关注，但其水蒸发率和盐耐受性仍有待提高。

文章概述

新疆大学纺织与服装学院朱若斐副教授团队受自然界中发现的多种生物特性的启发，3DL Metagel蒸发器整合了莲花形状、Janus润湿性（具有疏水性莲花叶的超亲水莲花）和植物蒸腾作用，在1.0太阳辐射下（超过二维蒸发器的限制）下，水蒸发率高达 3.61 kg m-2 h-1。独特的莲花形状使3DL Metagel能够在海水淡化过程中从环境中吸收额外的能量，从而实现94.94%的最大水分蒸发效率。具有Janus润湿性的双多孔结构使蒸发器在蒸发过程中具有自浮动能力和单向盐离子回流通道，为海水淡化提供了耐盐技术。值得注意的是，蒸发器可用于湿度极低的干旱地区的高效户外水净化，并且可生物降解和生物相容性。

图文导读

1. 3DL Metagel蒸发器的设计策略

受天然莲花结构和润湿性启发，研究人员开发出具有仿生设计的三维莲状纤维素纳米纤维超凝胶（3DL Metagel）。该材料通过改变纤维素纳米纤维（CNF）的晶型（I型转II型）调控凝胶化，并结合磷酸铵（AP）粘合剂与炭黑（CB）光热纳米颗粒，形成由无机-有机氢键交联的网络。利用冰模板法塑造的莲花状结构具有微米/纳米多孔表面，大幅提升光热转换效率与水分蒸发能力。其独特的Janus润湿性赋予材料自漂浮特性，形成单向水流通道，有效防止脱盐过程中的盐分积累。这种仿蒸腾作用的设计实现了水分从底部至顶部的快速输运与蒸发。超凝胶内部的多孔结构使其具备超轻特性，配合迅速升高的表面温度与持续温度梯度，显著加速蒸发。理论计算表明，AP与CNF分子间强氢键结合能形成的低能交联网络，既稳定结构又降低界面水汽化焓，最终实现高效太阳能驱动海水淡化。

图1 3DL Metagel蒸发器的设计策略。a 莲花状3DL Metagel的示意图。b 3DL Metagel的多仿生设计示意图。c 由蒲公英支撑的超轻超凝胶;3DL Metagel的Janus润湿性和光热性能（插图：不同位置的水接触角）。d 两个CNF分子之间以及CNF和AP分子之间交联网络结合能的DFT计算。

2. 3DL Metagel结构分析

通过SEM图像观察到3DL Metagel内部具有开放的海绵状结构，约200μm的互连大孔结构显著提升水分向上传输与蒸汽逸出效率。XRD分析证实材料制备过程中，NaOH和柠檬酸（CA）交联剂促使纤维素晶型从I型转变为II型，此过程降低纤维素聚合度并增强与AP粘合剂的结合能力，从而改善水凝胶加工性。FTIR光谱明确显示AP与CNF间形成强氢键网络,XPS与EDS分析则直接确认AP-CNF无机-有机氢键交联网络的成功构建，且元素映射显示P、Al均匀分布。这些结构特征协同降低了界面水蒸发能耗，为高效水传输与蒸发提供基础。

图2 Metagels的结构分析。a 3DL Metagel的横截面SEM图像。不同超凝胶的b XRD、c FTIR、d XPS光谱。e 高分辨率C 1 s、f O 1 s、g P 2p、h EDS 光谱和3DL Metagel的i 元素映射图像。

3. 太阳能驱动的水蒸发性能

含有炭黑（CB）纳米颗粒的3DL Metagel展现出98.24%的太阳光吸收率，并具备优异的光热稳定性。其蒸发性能显著超越对照组，二维结构的Metagel#2蒸发速率为2.29 kg m-2 h-1，而三维莲状设计的3DL Metagel达到3.61 kg m-2 h-1，提升达1.57倍。温度分布分析显示表面中心温度升至40.2°C（ΔT=18.2°C），而底面仅24.4°C，形成高效热约束效应，使热量集中于气液界面加速蒸发。红外图像进一步证实其分层温度结构，顶面高温与底面低温形成鲜明对比。最终，3DL Metagel实现93.12%的太阳能蒸发效率和94.94%的总效率，其蒸发速率（3.61 kg m-2 h-1）超越多数已报道的凝胶/非凝胶基蒸发器，综合性能处于领先水平。

图3 太阳能驱动的水蒸发性能。a 不同超凝胶的吸光度光谱。b 不同超凝胶在阳光照射下的光热性能。c 不同超凝胶在2.0阳光照射下的光热循环性能。d 不同超凝胶在阳光照射下的水质量随时间的变化。e 界面蒸发过程中不同超凝胶的湿表面温度变化。f 界面蒸发过程中3DL Metagel的湿表面温度变化与环境温度效应。g 界面蒸发过程中Metagel#2和3DL Metagel的热红外图像。h 水分蒸发速率和效率不同metagel。i 3DL Metagel蒸发器的综合性能比较。

4. 3DL Metagel的废水净化和海水淡化能力

3DL Metagel在染料废水处理中表现卓越，成功净化含酸性蓝染料和活性红染料的废水（20 mg/L），净化后染料特征吸收峰完全消失，吸光度趋近于零。同时，该材料对全球不同海域海水进行淡化后，盐度降低三个数量级，远低于标准；纯化水中的SO42+、Na+、Mg2+、Ca2+等离子浓度亦显著低于饮用水限值。其卓越的耐盐性源于两大特性：Janus润湿性（超亲水“莲花瓣”促进盐回流与蒸发，疏水“荷叶”基底阻隔盐结晶）和多孔通道结构（实现盐分超快输运）。实验证明，置于材料表面的2 g盐晶可在25分钟内自溶解，且在黄海海水连续96小时光照测试中，蒸发速率稳定维持在3.5 kg m-2 h-1。

图4 3DL Metagel的废水净化和海水淡化能力。a 酸性蓝色染料的紫外-可见吸收光谱，b 纯化前后的反应性红溶液。c 净化前后活性红色染色废水中四种离子的浓度。d 海水淡化前后不同地区3种海水的盐度变化。e 时间序列光学图像，表征了 2 g 染色的 NaCl 固体晶体在海水淡化过程中在3DL Metagel表面的再溶解过程。f 3DL Metagel 底部盐离子通道流动的光学图像。g 3DL Metagel的氢键相互作用的分子动力学模拟快照。h 在CNF-CNF和AP-CNF系统上每平方埃米形成的氢键数量的小提琴图。i CNF-CNF和AP-CNF系统上氧原子的均方位移。

5. 3DL Metagel的生物相容性

3DL Metagel在实际户外测试中展现出优异性能，阳光照射10分钟后即产生大量水蒸气，红外图像证实其表面形成显著温差，平均蒸发通量达2.39 kg m-2 h-1。按WHO组织成人日均需水2.5-3.5 kg计算，1 m2材料可满足8人日用水需求。生物相容性与降解性实验证明，土壤掩埋30天后，3DL Metagel与纯纤维素（CNF）被微生物完全降解，其降解过程由细菌与真菌分泌的纤维素酶协同完成，最终产物为环境友好的葡萄糖单体。同时，用该材料淡化水灌溉的植物种子正常萌发生长。细胞毒性测试进一步验证安全性。小鼠胚胎成骨细胞在材料中培养48小时后存活率达92.4 ± 0.8%，与对照组无显著差异，表明其作为纤维素基材料兼具生物可降解性与生物相容性，是可持续的绿色水资源解决方案。

图5 3DL Metagel的户外实验和生物相容性测试。a 2024年6月9日12：00至17：00（新疆大学校园）3DL Metagel实时水分蒸发室外实验的光学和红外图像。b 室外测试期间风速、湿度、环境温度和蒸发器平均温度的变化。c 太阳强度、同步水质量变化和3DL Metagel的水分蒸发速率随时间的变化。d 用植物种子直接埋在天然土壤中30天并用界面蒸发净化的水灌溉的不同样品的生物降解测量照片。e 将MC3T3-E1细胞培养到3DL Metagel上48小时后活/死测定的荧光图像。f 与不同材料一起孵育的MC3T3-E1细胞的细胞活力。

结论

本文提出了一种创新策略，将氢键交联网络和多种仿生特征相结合，以设计一种可持续且可生物降解的高效太阳能驱动界面蒸发器（3DL Metagel）。3DL Metagel受自然界中莲花独特结构、润湿性和蒸腾作用的启发，采用超亲水莲花上层和疏水性荷叶下层组成的Janus双层结构设计，实现高效的自下而上的水运输。来自环境的能量输入促进了界面水分蒸发，导致超快蒸发（蒸发速率为3.61 kg m−2 h−1，能效为94.94%）。通过将纤维素晶型从I型调整为II型，并将具有极低结合能的AP粘合剂引入CNF分子（−358.6 kcal mol−1），从而有效降低水分蒸发的焓，大大优化了界面蒸发的能量需求。3DL Metagel 蒸发器凭借其Janus莲花结构，实现了对从世界不同地区获得的海水资源的长期净化，确保了盐离子的反向通道流动和自溶。这项工作的发现为使用多种仿生概念和氢键网络的调节可持续地增强太阳能海水淡化铺平了道路。

创新点

将莲花的形状、Janus润湿性（超亲水的莲花花和超疏水的莲叶）和植物的蒸腾作用等多种生物特性集成于一体，这种独特的结构设计赋予了3DL Metagel蒸发器优异的性能，使其在太阳能驱动的水蒸发方面表现出色，实现了高效的海水淡化和废水净化。

启发

通过在纤维素纳米纤维（CNF）表面引入氢氧化铝磷酸盐（AP），构建了无机-有机氢键网络。这种网络结构不仅降低了水分子的蒸发焓，加速了水分子在CNF之间的扩散，还提高了材料的结构稳定性和水蒸发效率，为实现高效光热转换和水蒸发提供了有力支持。

文章来源

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

来源：Go Cellulose