随着全球人口的增长、城市化进程的推进以及工业化带来的环境污染，水资源短缺和能源危机日益严重。因此，基于太阳能的界面蒸发技术（SDIE）成为缓解水资源短缺的有效方案之一。由于其高孔隙率和可再生性，纤维素纳米纤维（CNF）基气凝胶在该领域表现出巨大的潜力。

近日，武汉纺织大学许杰教授团队在期刊《Carbohydrate Polymers》上，发表了最新研究成果“基于纤维素纳米纤维的Janus结构气凝胶在高效蒸发与协同光催化中的应用”（Cellulose nanofiber-based aerogel with Janus wettability for superior evaporation performance and synergistic photocatalytic activities）。武汉纺织大学为唯一署名单位，论文第一作者为硕士生胡博文，通讯作者为许杰教授、范玲玲副教授。研究提出了一种CuS涂层的纤维素纳米纤维（CNF）/聚乙烯醇（PVA）气凝胶，旨在改善太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）和光催化降解性能。该气凝胶具有Janus结构，由CuS光热层和CNF/PVA基底组成，且具有多孔、层次化的网络结构。这一结构能够促进水的快速运输，防止盐积累，并增强光热和光催化活性。

图1： (a)、CuS@CNF/PVA气凝胶高水分蒸发速率原理示意图；(b)、CuS@CNF/PVA气凝胶制备流程示意图

团队通过低共熔溶剂在室温下制备了具有树枝状分叉结构的纤维素纳米纤维（CNF），该仿生结构有助于水的输运；气凝胶表面通过海藻酸钠粘合涂覆的CuS光热涂层具有超亲水性，有利于水从底部向顶部的单向输运；聚合物与水的相互作用明显提高了中间态水的比例，从而表现出冷蒸发的特征。分级孔隙结构、定向通道与表面工程的协同作用，可在保持结构稳定性的同时提升光热转换性能。

图2：一个照度下CNF/PVA和CuS@CNF/PVA气凝胶的干湿态表面温度变化

CuS@CNF/PVA气凝胶在一个照度下，干燥表面温度从24.5°C快速升高至39.9°C，并在10分钟内达到53.2°C，表现出优异的光热转化能力。而在湿润状态下，表面温度上升较慢，体现出冷蒸发特性，从而可以显著地降低热量损失、提高蒸发的能量转换效率。

图3：CuS@CNF/PVA气凝胶的光热水蒸发性能

CuS@CNF/PVA气凝胶在一个照度下表现出3.20 kg/m²/h的高蒸发速率，以及98.4%的能量转换效率。在高浓度的NaCl溶液（20 wt%）中，蒸发速率达到2.51 kg/m²/h，显示出其在可持续海水淡化应用中的巨大潜力。此外，CuS光热层同时还具备光催化降解有机染料的特性，3小时内对甲基蓝（MB）、罗丹明B（RhB）和甲基橙（MO）等常见染料的光催化降解效率超过70%。该工作为开发具有界面蒸发和光催化协同功能的高性能太阳能蒸发器提供了一种有效的方法，为实现染料废水的低残留处理提供了新颖的设计和制造思路。

图4：CuS@CNF/PVA气凝胶的光热水纯化性能及对染料的光催化降解性能

论文链接：

https://www/sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0144861725009518?fr=RR-2&ref=pdf_download&rr=971e7e99381a1583