淡水资源是人类赖以生存的基础，淡水短缺已成为人类文明发展面临的主要风险之一。海水淡化是解决该问题的一种有效方案。目前虽有多种方法应用于海水脱盐，但净水收率仍有待提升。太阳能驱动界面蒸发与传统海水淡化技术的原理不同。它通过蒸发器将太阳能转化为热量，并将热量定位在蒸发界面以诱导水蒸气产生，由于具有低成本、低能耗、低风险因素和环境友好等优势，被认为是最有效且可持续发展的海水淡化技术之一。开发性能优异的太阳界面蒸发器也逐渐成为当前的研究热点。

近日，四川大学卢灿辉教授/张伟副研究员团队在知名学术期刊《Carbohydrate Polymers》上发表了最新研究成果“静电纺丝纤维素纳米纤维/还原氧化石墨烯三维Janus泡沫的制备及高效太阳能界面蒸发”(Facile fabrication of 3D Janus foams of electrospun cellulose nanofibers/rGO for high efficiency solar interface evaporation)，论文第一作者为四川大学高分子研究所硕士生隋增炎。

该研究结合天然纤维素静电纺丝、石墨烯原位负载、发泡和喷涂工艺，制备出一种密度低、比表面积大、孔隙率高、输水快、稳定性好的FR@EC/rGO Janus泡沫，实现了泡沫上层光热转换和下层泵水的有机结合。其蒸发速率达1.83 kg m⁻² h⁻¹，蒸汽转换效率为94.2%，在海水淡化以及废水处理中极具应用潜力。

图1：FR@EC/rGO制备流程示意图。

图1展示了FR@EC/rGO泡沫的制备流程。在静电纺丝过程中，生成的纤维素纳米纤维与凝固浴中的氧化石墨烯在旋转收集辊上逐层组装，形成电纺纤维素纳米纤维(EC)/氧化石墨烯(GO)膜。之后，将此膜在NaBH4水溶液中进行发泡处理，成功地将二维薄膜转变为三维多孔泡沫。同时，氧化石墨烯被部分还原为具有更高光吸收能力的还原氧化石墨烯(rGO)，进而提高泡沫的光热转换效率。此外，残余的含氧基团有利于中间水的形成，能降低水的蒸发焓。最后，通过喷涂氟碳树脂(FR)对泡沫其中一端的表面进行疏水改性，得到Janus型FR@EC/rGO泡沫。

图2：微观形貌分析。

图2a的电镜照片显示EC膜由均匀的电纺纤维素纳米纤维组成，而在EC/GO膜样品中（图2b），可观察到纤维素纳米纤维的孔隙之间存在氧化石墨烯薄片。EC/rGO泡沫（图2c）则由互穿的纤维素纳米纤维以及rGO片形成独特的多孔结构。相比于EC/GO薄膜，EC/rGO泡沫的孔径和比表面积均大幅提高。其中，比表面积从10.14 m² g^-1提高到30.13 m² g^-1，而孔径从23.07 nm提高到33.17 nm。三维纳米纤维泡沫的多孔结构不仅能提供大量的水蒸气扩散通道，也有利于光在材料内部的传播，进而增强对光的吸收。

图3：蒸发性能测试。

FR@EC/rGO泡沫在200-2500 nm的宽波长范围内表现出97%的强光吸收率，并且实现了优异的光热转换，在一个太阳光照强度下，其表面温度可达59 ℃。FR@EC/rGO Janus蒸发器含有两个功能层：顶部光热层和底部泵水层。顶层主要负责吸收太阳光并将其转化为热量，同时允许水蒸气从蒸发器表面逸出。而底层则提供水传输的通道以及热管理的功能，当通过毛细作用泵水时，能阻碍热量传递到体相水和周围环境。另外，该蒸发器经过10次循环仍能保持稳定的蒸发速率和效率，耐用性良好。

图4：耐盐性能测试。

FR@EC/rGO泡沫在不同浓度的NaCl水溶液中均展现出较高的蒸发速率和蒸汽转化效率。随着光照时间的增加，蒸发速率先增大，达到最大值后趋于稳定。图4的实验结果表明FR@EC/rGO泡沫具有优异的耐盐性。对模拟海水淡化前后的四种主要离子浓度及盐度进行检测，收集的水中Na⁺、Mg²⁺、K⁺和Ca²⁺的浓度及盐度均下降了几个数量级，远低于世界卫生组织(WHO)发布的饮用水标准。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2024.121859

人物简介：

卢灿辉，高分子材料工程国家重点实验室（四川大学）、四川大学高分子研究所教授、博士生导师，四川省学术与技术带头人，四川省有突出贡献优秀专家，兼任中国塑料加工工业协会专家委员会副秘书长、四川省轮胎翻新与利用协会副会长。围绕 “新材料”和“难再生废弃高分子材料高效、高质、高值回收与再制造”等国家重大需求开展研究，主要开展废弃橡胶（包括特种橡胶）及交联型废弃高分子材料的解交联再生利用及再制造技术与装备开发；围绕可再生资源开展纤维素/甲壳素的微纳米加工及其与二维材料的宏观组装，重点研究其在柔性传感、纳米发电、电化学储能器件的设计、构建及其在可穿戴设备中的应用。相关成果发表在ACS Nano, Science Advances，Advanced Materials, Energy Storage Materials, Angew ChemInt Ed, Advanced Functional Materials等期刊，论文得到广泛引用和正面评价。近年来在聚烯烃高填充无机粉体复合材料、废旧轮胎橡胶和特种橡胶高值化利用新技术和新装备、纳米纤维素制备和功能材料等技术开发和产业化应用取得突出成绩，其中15项研究成果实现产业化应用，取得重大的经济效益和社会效益。研究成果曾荣获“国家技术发明奖”二等奖、“教育部科学技术奖”一等奖及中国轻工业联合会科技进步一等奖、中国专利金奖和其他省部级科技进步二等奖5项。

张伟，四川大学高分子研究所副研究员，博士生导师，国际先进材料学会会士(FIAAM)，中国材料研究学会特聘研究员，高分子材料工程国家重点实验室固定研究人员，国家国际科技合作基地高分子材料与工程国际联合研究中心办公室主任，四川大学（石狮市）先进高分子材料研究中心副主任，仪征化纤织造产业园副主任。主要从事纳米纤维素、静电纺丝、3D打印等方面的研究。已发表100余篇SCI研究论文，总引用6500余次，H指数47。获授权中国发明专利10项。研究成果被科技日报，美国化学会C&EN，Materials Today等科技新闻媒体报道。连续三年入选斯坦福全球前2%顶尖科学家榜单。担任高分子SCI学术期刊Polymers聚合物纤维栏目主编以及12本国际学术期刊编辑或编委。担任Advanced Materials、ACS Nano等80余本SCI学术期刊的通讯评审人。