面对全球人口增长、气候变化和工业污染带来的严峻挑战，清洁淡水资源的短缺已成为亟需解决的关键问题之一。传统的海水淡化技术，如反渗透和电透析，依赖高压、电力或人力操作，这使得在偏远和欠发达地区大规模推广和应用变得困难。利用太阳能作为动力源驱动海水浸渍的水的蒸发和回收过程，在一定程度上可以克服上述技术高昂运营成本的瓶颈。
昆明学院化学化工学院李娇阳老师团队在这项研究中，CNT被用作光热转换材料，而ANF则作为使用骨架材料。通过定向冷冻法和真空过滤法的复合工艺，开发出具有垂直通道和水平分层结构的ANF/碳纳米纤维复合气凝胶。其中，垂直通道设计用于提高材料的水分输送速率，CNT凭借其全能带吸收阳光特性确保了光热转化效率；水平分层结构致力于实现海水蒸发后的高效海水淡化，显著提升气凝胶的长期重复利用率。通过系统性地探讨关键实验条件（如结冰参数和过滤压力）及原料比（如ANF/CNT比）对材料结构和性能的影响，优化了海水蒸发效率，提供了高效稳定的气凝胶基太阳能驱动海水淡化解决方案。相关研究内容以“Preparation of hierarchically porous ANF/CNT aerogel and its solar-driven high-efficiency desalination performance”为题目，发表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。
1. ANF/CNT气凝胶制备
ANF与CNT通过CNT表面羧基与ANF分子链中酰胺键形成致密氢键，混合获得均匀液相。羧化碳纳米管的含氧官能团赋予亲水性。经定向冷冻构建垂直排列多孔通道，再通过冻干法干燥，最终制得具有垂直通道的多孔气凝胶，结构稳定。
图1 ANF/CNT气凝胶的制备。（a） 制备流程图；（b） ANF和CNT气凝胶的透射电子显微镜图像；（c）准备过程的示意图；（d）数码照片，（e）ANF/CNT气凝胶的SEM图像。
2.具有垂直通道和水平层状结构的ANF/CNT气凝胶的压缩循环性能
ANF/CNT复合气凝胶经定向冷冻制备，CNT含量调控其微观结构。含量≤30%时，CNT作为刚性交联点，形成定向蜂窝孔壁；含量达50%时，聚集导致孔隙变形。纵向上，30%CNT时形成高度平行通道，50%时出现层裂与取向无序。气凝胶具有以3.57 nm中孔为主的层级孔隙。重力铸造获得各向同性结构，吸力过滤形成各向异性对齐结构。
图2 ANF/CNT气凝胶的结构。（a）ANF、ANF/CNT-10%、ANF/CNT-30%和ANF/CNT-50%气凝胶的形态示意图，以及（b）的形态示意图；（c）纵向形态学 以及（d）ANF 基气凝胶的形态示意图。
3. ANF/CNT气凝胶的太阳能驱动海水淡化性能
ANF/CNT-30%气凝胶热稳定性优异，海水淡化后结构保持完整。模拟海水蒸发实验中，总蒸发率与净蒸发率达2.04和1.59 kg·m⁻²·h⁻¹，较纯ANF提高87%和106%，最大蒸发率3.75 kg·m⁻²·h⁻¹，蒸发效率达149%。毛细供水与热定位协同实现高效蒸发，暗蒸发速率远低于总蒸发率，证实蒸发以光吸收为主。7天连续测试保持80%以上效率，户外日产淡水19.0 L·m⁻²，可满足6人日需。该气凝胶兼具高蒸发效率、低蒸发焓与良好机械强度，优于多数同类材料。
图3 太阳能驱动海水淡化性能。（a）ANF/CNT气凝胶的总蒸发率，以及（b）减去暗蒸发率后的净蒸发率；（c） ANFCNT-30%的蒸发率；（d）每日温度和太阳辐照剖面；（e）气凝胶照片；（f）气凝胶的蒸发效率和蒸发速率；（g）淡化过程的机械示意图；（h） 蒸发装置的照片；（i）蒸发器设计的计算模型；（j） 气凝胶的蒸发质量、蒸发效率及（k） ANFCNT-30% 气凝胶连续24小时运行7天内的每日水产量统计数据；（l） ANF/CNT气凝胶性能与已报道研究的比较。
总结
本研究开发了ANF/CNT复合气凝胶太阳能蒸发器，具有垂直孔隙与水平层双阶段结构。ANF/CNT-30%在1倍太阳光下，纯水蒸发速率达3.29 kg·m⁻²·h⁻¹，模拟海水达2.04 kg·m⁻²·h⁻¹，日产淡水19.0 L·m⁻²。通过机械挤出排盐，维持结构稳定性，为海水淡化提供新策略。
通讯作者
李娇阳，工学博士，昆明学院硕士生导师。主要从事高性能纤维复合材料的制备及其功能性应用。主持云南省基础研究计划面上项目/青年项目各1项，以第一/通讯作者身份发表论文7篇，发明专利10余项。
黄吉振，男，工学博士，昆明理工大学特聘副教授，硕士生导师。主要从事高性能纤维纸基功能材料方面的科研和教学工作。入选云南省“兴滇英才支持计划”青年人才。2025年获得陕西省优秀博士学位论文（导师：陆赵情教授）。主持云南省基础研究计划面上项目1项，青年项目1项，中国轻工业联合会教改课题1项。以第一作者/通讯作者发表学术论文22篇，其中一、二区论文9篇。以第一发明人申请发明专利4项。
