浙江大学王树荣教授团队JMCA：一种新型具有Janus特性的生物质基复合气凝胶，用作独立式太阳能界面蒸发器

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世界范围内水资源短缺问题的日益加重促进了清洁高效的淡水供应技术的快速发展。从缓解能源危机和环境问题的角度来看，利用太阳能的光热转换驱动水快速蒸发是一种获取淡水的有效手段。太阳能驱动的界面水蒸发目前被公认为是一种高效且可持续的淡水供应技术。然而，为实现高能量转换效率，界面蒸发系统结构复杂，通常由几个模块组合而成，包括专门的水输送、光热转换、热管理和支撑部件。

近日，浙江大学王树荣教授团队以纤维素纳米纤丝（CNF）作为基本骨架，Ti₃C₂T_x MXene作为光热功能填料，通过预冻成型、溶剂交换、定向冷冻和冻干方法，开发了一种新型的具有Janus特性的生物质基复合气凝胶，并将其用作独立式太阳能界面蒸发器。此Janus结构CNF/MXene复合气凝胶（简称为JCM气凝胶）的上下两部分具有相反的润湿性，其下层为亲水的CNF气凝胶（简称为CA）可进行持续的水传输，上层为硅烷疏水改性的CNF/MXene气凝胶（简称为CM气凝胶）可进行光热转换并具有隔热性。JCM气凝胶独特的Janus特性以及其内部的微通道结构使其能够稳定地自漂浮于水面，并具有卓越的蒸发性能。在1个太阳光照下，JCM气凝胶的水蒸发速率高达2.287 kg m^-2 h^-1，对应于88.2%的蒸发效率。此外，JCM气凝胶在海水淡化应用中也体现了出色的耐盐性和耐久性。该工作以“Janus biocomposite aerogels constituted of cellulose nanofibrils and MXenes for application as single-module solar-driven interfacial evaporators”为题发表在知名期刊Journal of Materials Chemistry A上。

图1 JCM气凝胶的制备示意图

图2 C10M5的SEM图像：（a-c）不同放大倍数下的横截面图像；（d）纵截面图像。

在横截面SEM图像中，可观察到C10M5内部孔隙呈类纺锤形，平均尺寸约为86 μm×28 μm。该结构的形成不仅由于MXene本身具有二维结构，同时也归因于冷冻时冰晶生长造成的挤压。由于一维的CNF是C10M5的主要结构单元之一，C10M5的一部分没有完全被冰晶挤压的区域也具有一维纤维结构。此外，通过更高的放大倍率在片状结构的交联处可观察到直径为几百纳米级的孔隙。纵截面SEM图像中，可以看出C10M5具有竖直排列的孔道结构，这是通过冷冻过程冰晶定向生长而形成的。

图3 （a）1个太阳光照下，使用JC10M5蒸发不同浓度NaCl溶液时蒸发速率随时间变化曲线；插图为蒸发6 h后JC10M5上表面的数码照片；（b）连续10天（每天6 h）在1个太阳光照下使用JC10M5蒸发3.5 wt% NaCl溶液的水蒸发速率随时间变化曲线；（c）模拟海水和淡化水中的Na⁺，Mg²⁺和Ca²⁺浓度。

使用JC10M5蒸发不同浓度NaCl溶液，在连续6 h的太阳光照下，JC10M5在不同的阶段体现出不同的蒸发速率。连续蒸发6 h后，可观察到JC10M5上表面没有盐晶粒沉积。JC10M5还具有良好的耐久性。连续10天每天连续6 h蒸发3.5 wt% NaCl溶液，在第10天蒸发结束前JC10M5的蒸发速率仅轻微降低至1.95 kg m^-2 h^-1。模拟海水经JC10M5脱盐后，其中Na⁺，Mg²⁺和Ca²⁺的浓度从11505，1375，299 mg L^-1显著降低至1.486，0.025，0.584 mg L^-1。

论文的第一作者为浙江大学博士研究生韩昕宏，通讯作者为王树荣教授。

原文链接:

https://doi.org/10.1039/D1TA04991G

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