工业化和人口的快速增长导致了严重的水污染问题和淡水资源的短缺。海水淡化或污水处理技术可以解决水危机。定向冷冻和反渗透等传统方法已被用于生产淡水，但仍存在工艺复杂、能耗大、耗时和效率低等问题。太阳能具有环境友好、储量丰富、可再生等特点，因此太阳能驱动界面蒸发(SDIE)被认为是一种环境友好型技术，也是最有希望生产淡水的技术。
近日，陕西科技大学李永副教授、宋浩杰教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Full biomass-derived multifunctional aerogel for solar-driven interfacial evaporation”。研究者通过将芭蕉纤维素(PC)与生物质中空碳管(HCTs)交联形成三维的多孔有效蒸发器，水分蒸发速率高达1.86 kg m−2h−1。中空碳管降低热量损失，多孔表面增加了对光的吸收和光热转换效率，通过协同作用使蒸发效率最大化。PC@HCTs-600在不同恶劣环境下具有较高的水蒸发速率，蒸发后的水达到国际标准。此外，PC@HCTs-600在现实光照条件下仍能保持稳定和较高的水分蒸发速率，服役完成的PC@HCTs-600对荒漠等贫瘠土壤有较好的改良效果。因此，PC@HCTs-600是高质量太阳能蒸汽蒸发器的理想候选者。
图1：PC@HCTs气凝胶的合成示意图。
制备方法
首先，通过简单的化学处理，从芭蕉树茎中提取了芭蕉纤维素，其次，一步碳化得到的HCTs作为光吸收剂，最后，通过交联冷冻干燥得到具有三维多孔网络的PC@HCTs气凝胶(图1)。
图2：PC@HCTs气凝胶形貌分析。
PC@HCTs为黑色且较轻的气凝胶。HCTs具有中空结构，这极大地保证了热量的集中，减少了热量损失。通过环氧氯丙烷在碱性溶液中与PC和HCTs的羟基发生开环反应，形成三维多孔交联结构。该结构形成“光捕获”效应，增强了多次散射效应，提高了光利用效率。
图3：PC@HCTs气凝胶的光热性能。
PC@HCTs-600在全光谱光吸收可达到95%。此外，在一个太阳光照下干燥PC@HCTs-600表面温度可达到95.8℃±0.5℃，在气液界面处PC@HCTs-600表面温度可达46.7°C±0.5°C，水蒸发速率可达1.86 kg m−2h−1。
图4：PC@HCTs气凝胶在不同坏境下的水蒸发性能
图5：PC@HCTs气凝胶的耐盐性能。
图6：PC@HCTs气凝胶的实际光照水蒸发与可回收性能。
PC@HCTs气凝胶在高浓度盐溶液下具有优异的水分蒸发和耐盐能力，并且对海水、重金属离子溶液、油水乳化液和有机染料废水均有明显的净化效果。此外，PC@HCTs-600在实际太阳光照条件下仍能保持稳定和较高的蒸发速率。干燥PC@HCTs具有高硬度，而在水中具有超弹性。PC@HCTs气凝胶具有绿色可回收性，服役完成后作为固体废弃物，可用于荒漠等贫瘠土壤的改良，从而实现“源于自然，回归自然”的可持续发展理念。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144684
李永，副教授，硕士研究生导师。毕业于中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室。现为陕西科技大学无机非金属材料工程系教师，主讲《材料科学基础》和《材料概论》。主要从事环境友好型超浸润光催化界面材料的设计及其在环境净化方面的应用研究；仿生超疏液功能材料的制备及其在防腐、抗磨、防污等领域的应用研究。主持或参与国家自然科学基金、博士后基金、陕西省科技厅青年项目等多项纵向课题，在研企业横向课题2项，专利转化2项。近年来以第一作者或通讯作者在Appl. Catal. B: Environ.; Chem. Eng J; J. Mater. Chem. A; ACS Appl. Mater. Interaces; Green Chem等高水平期刊上发表SCI论文16篇，ESI高被引论文1篇，申请专利12件，授权4项。以第一指导教师指导学生获互联网+大学生创新创业大赛国家级铜奖1项，陕西省金奖2项，“光威杯”中国复合材料学会大学生科技创新竞赛国家二等奖1项。完成陕西省大学生创新创业训练项目1项。
宋浩杰，教授，博士研究生导师。中国机械工程学会高级会员，中国表面工程分会青年工作委员会委员，中国摩擦工程分会青年工作委员会委员，陕西科技大学学术骨干入选陕西省百人计划。攻读博士期间，分别获得“中国科学院宝洁优秀博士奖学金”与“中国科学院院长优秀奖”。主要从事碳基纳米复合材料的制备及其在摩擦、环境能源领域中的应用。目前主持国家自然科学面上基金（2项）、国家自然科学青年基金、国家博士后科学基金特别资助、国家博士后科学基金、江苏省六大人才高峰和陕西省自然科学基金重点项目等项目10余项。担任国家自然科学基金函评专家及国际多种材料类期刊的审稿人。以第一作者或通讯联系人在Appl. Catal. B: Environ; J. Mater. Chem. A; ACS Appl. Mater. Interaces; Chem. Eng. J., Tribol Int等国外权威期刊上发表SCI论文80余篇，撰写国家发明专利15项，授权国家发明专利10项。
