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  近年來，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。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題，而太陽能驅(qū)動界面蒸發(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)筑多級強氫鍵網(wǎng)絡(luò)纖維素水凝膠的新策略，來改善纖維素基水凝膠在分子尺度下水輸運路徑不可控、氫鍵動態(tài)穩(wěn)定性不足的問題。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》。

  該研究通過強堿誘導(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)，強化氫鍵締合作用實現(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)過程中水分子擴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潤濕性以及植物水分蒸騰作用。獨特的蓮花3D構(gòu)造使水凝膠在海水淡化過程中可以從環(huán)境中獲得額外的能量補充，Janus潤濕性不僅使其具有自漂浮能力并在鹽水蒸發(fā)過程中具有單向的鹽離子回流通道從而實現(xiàn)自脫鹽，并且利用水凝膠內(nèi)部的強氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)加速了水分子在其內(nèi)部的擴散和蒸發(fā)，在一個太陽光輻射下，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，表明其作為太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)器的潛力。當(dāng)水凝膠漂浮于氣液界面時，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，由于獨特的3D蓮花構(gòu)造，水凝膠在蒸發(fā)過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)，可以實現(xiàn)能量從環(huán)境到較冷（亞環(huán)境）表面的環(huán)境能量補充從而加速水的蒸發(fā)。

圖2. 纖維素基水凝膠的太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)性能

  染料廢水的處理一直是紡織工業(yè)的長期瓶頸，該研究將含有大量無機鹽類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)，成功實現(xiàn)了脫色和脫鹽效果，凈化水的離子含量遠(yuǎn)低于WHO對飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。此外，為了證明水凝膠蒸發(fā)器的海水脫鹽性能，該研究對來自世界不同地區(qū)的三個海水樣品進(jìn)行了蒸發(fā)測試，結(jié)果均驗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)在分子水平上對水蒸發(fā)的優(yōu)勢，這種強氫鍵連接了材料內(nèi)部中的大量分子，使得水分子通過通道結(jié)構(gòu)快速擴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)實場景中的適用性，本研究在新疆大學(xué)校園進(jìn)行了戶外實驗(圖4，中國烏魯木齊)。水凝膠蒸發(fā)器在戶外陽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，證實了環(huán)境溫度對其獨特影響，以及水凝膠材料對室外環(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)，驗證了水凝膠的可降解性以及凈化水的無毒性。通過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小時后觀測活/死細(xì)胞數(shù)驗證了其無毒的生物相容性，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驗及生物相容性

  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能驅(qū)動界面蒸發(fā)器。其實現(xiàn)了對世界不同地區(qū)海水資源的長期凈化，保證了鹽離子的反向通道流動和自溶解。在干旱地區(qū)自然光下進(jìn)行的室外水分蒸發(fā)實驗，結(jié)果表明每平米的纖維素基水凝膠可以滿足8個成年人的日常飲用水需求，并驗證了凈化水的安全性，這項工作的發(fā)現(xiàn)有望解決海洋污染和水資源短缺的問題。

  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