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  世界范圍內(nèi)水資源短缺問(wèn)題的日益加重促進(jìn)了清潔高效的淡水供應(yīng)技術(shù)的快速發(fā)展。從緩解能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的角度來(lái)看，利用太陽(yáng)能的光熱轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)水快速蒸發(fā)是一種獲取淡水的有效手段。太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面水蒸發(fā)目前被公認(rèn)為是一種高效且可持續(xù)的淡水供應(yīng)技術(shù)。然而，為實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率，界面蒸發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常由幾個(gè)模塊組合而成，包括專門的水輸送、光熱轉(zhuǎn)換、熱管理和支撐部件。

  近日，浙江大學(xué)王樹(shù)榮教授團(tuán)隊(duì)以纖維素納米纖絲（CNF）作為基本骨架，Ti₃C₂T_x MXene作為光熱功能填料，通過(guò)預(yù)凍成型、溶劑交換、定向冷凍和凍干方法，開(kāi)發(fā)了一種新型的具有Janus特性的生物質(zhì)基復(fù)合氣凝膠，并將其用作獨(dú)立式太陽(yáng)能界面蒸發(fā)器。此Janus結(jié)構(gòu)CNF/MXene復(fù)合氣凝膠（簡(jiǎn)稱為JCM氣凝膠）的上下兩部分具有相反的潤(rùn)濕性，其下層為親水的CNF氣凝膠（簡(jiǎn)稱為CA）可進(jìn)行持續(xù)的水傳輸，上層為硅烷疏水改性的CNF/MXene氣凝膠（簡(jiǎn)稱為CM氣凝膠）可進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換并具有隔熱性。JCM氣凝膠獨(dú)特的Janus特性以及其內(nèi)部的微通道結(jié)構(gòu)使其能夠穩(wěn)定地自漂浮于水面，并具有卓越的蒸發(fā)性能。在1個(gè)太陽(yáng)光照下，JCM氣凝膠的水蒸發(fā)速率高達(dá)2.287 kg m^-2 h^-1，對(duì)應(yīng)于88.2%的蒸發(fā)效率。此外，JCM氣凝膠在海水淡化應(yīng)用中也體現(xiàn)了出色的耐鹽性和耐久性。該工作以“Janus biocomposite aerogels constituted of cellulose nanofibrils and MXenes for application as single-module solar-driven interfacial evaporators”為題發(fā)表在知名期刊Journal of Materials Chemistry A上。

圖1 JCM氣凝膠的制備示意圖

圖2 C10M5的SEM圖像：（a-c）不同放大倍數(shù)下的橫截面圖像；（d）縱截面圖像。

  在橫截面SEM圖像中，可觀察到C10M5內(nèi)部孔隙呈類紡錘形，平均尺寸約為86 μm×28 μm。該結(jié)構(gòu)的形成不僅由于MXene本身具有二維結(jié)構(gòu)，同時(shí)也歸因于冷凍時(shí)冰晶生長(zhǎng)造成的擠壓。由于一維的CNF是C10M5的主要結(jié)構(gòu)單元之一，C10M5的一部分沒(méi)有完全被冰晶擠壓的區(qū)域也具有一維纖維結(jié)構(gòu)。此外，通過(guò)更高的放大倍率在片狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)處可觀察到直徑為幾百納米級(jí)的孔隙�？v截面SEM圖像中，可以看出C10M5具有豎直排列的孔道結(jié)構(gòu)，這是通過(guò)冷凍過(guò)程冰晶定向生長(zhǎng)而形成的。

圖3 （a）1個(gè)太陽(yáng)光照下，使用JC10M5蒸發(fā)不同濃度NaCl溶液時(shí)蒸發(fā)速率隨時(shí)間變化曲線；插圖為蒸發(fā)6 h后JC10M5上表面的數(shù)碼照片；（b）連續(xù)10天（每天6 h）在1個(gè)太陽(yáng)光照下使用JC10M5蒸發(fā)3.5 wt% NaCl溶液的水蒸發(fā)速率隨時(shí)間變化曲線；（c）模擬海水和淡化水中的Na⁺，Mg²⁺和Ca²⁺濃度。

  使用JC10M5蒸發(fā)不同濃度NaCl溶液，在連續(xù)6 h的太陽(yáng)光照下，JC10M5在不同的階段體現(xiàn)出不同的蒸發(fā)速率。連續(xù)蒸發(fā)6 h后，可觀察到JC10M5上表面沒(méi)有鹽晶粒沉積。JC10M5還具有良好的耐久性。連續(xù)10天每天連續(xù)6 h蒸發(fā)3.5 wt% NaCl溶液，在第10天蒸發(fā)結(jié)束前JC10M5的蒸發(fā)速率僅輕微降低至1.95 kg m^-2 h^-1。模擬海水經(jīng)JC10M5脫鹽后，其中Na⁺，Mg²⁺和Ca²⁺的濃度從11505，1375，299 mg L^-1顯著降低至1.486，0.025，0.584 mg L^-1。

  論文的第一作者為浙江大學(xué)博士研究生韓昕宏，通訊作者為王樹(shù)榮教授。

  原文鏈接:https://doi.org/10.1039/D1TA04991G