细菌纤维素/MXene材料能够实现高效的大气水收集

《Separation and Purification Technology》：Bacterial cellulose/MXene enables high-efficient atmospheric water harvesting

基于光热转换与重金属吸附的硫磺化共轭微孔聚合物气凝胶设计及其在太阳能蒸发与水处理中的应用。

　　随着全球淡水资源的日益紧张和环境污染的加剧，太阳能驱动界面蒸发（Solar-Driven Interfacial Evaporation, SDIE）作为一种可持续的高效海水淡化和净化技术，正受到越来越多的关注。SDIE技术的核心在于利用光热材料将太阳能转化为热能，集中加热水-空气界面，从而提升蒸发效率并实现污染物的有效分离。然而，光热材料在实际应用中面临多重挑战，包括高效的太阳能吸收能力、良好的水传输性能以及对污染物的高效去除能力。因此，开发具有优异性能的新型光热材料成为推动SDIE技术发展的关键。

在本研究中，科学家们通过一种创新的合成方法，制备了两种具有三维网络结构的共轭微孔聚合物（Conjugated Microporous Polymers, CMP）气凝胶。这些CMP气凝胶是通过Sonogashira-Hagihara交叉偶联反应，将1,3,5-三乙炔基苯与芳香族二溴单体进行反应合成的。通过调整溴化单体的结构，研究人员能够有效调控CMP气凝胶的微观结构和物理性能，从而获得低密度、具有中空管状形态和高比表面积的材料。这种结构上的优化不仅提升了材料的光热转换效率，还增强了其在复杂环境中的适应能力。

为了进一步增强CMP气凝胶的功能性，研究团队对材料进行了磺化处理。这一处理过程赋予了材料超级亲水性，并显著提高了其吸附能力，同时保持了极低的热导率。经过磺化处理后的CMPA-s-I和CMPB-s-I在1千瓦每平方米（kW/m2）的太阳能照射下，分别实现了1.507和1.514千克每平方米每小时（kg/m2/h）的蒸发速率，对应的光热转换效率分别为95.74%和97.9%。这些数据表明，所制备的CMP气凝胶在太阳能驱动蒸发方面表现出卓越的性能。

除了高效的蒸发能力，这些CMP气凝胶还展现了出色的结构稳定性和在极端环境下的持续高蒸发性能。例如，在pH值从2到12的范围内，以及高盐度（5-15 wt% NaCl）条件下，CMP气凝胶仍能保持良好的性能。这种环境适应性对于实际应用尤为重要，因为海水和工业废水往往具有复杂的化学成分和不同的pH值，这对材料的稳定性和功能提出了更高的要求。

值得注意的是，磺酸基团的引入不仅增强了CMPA-s的亲水性，还赋予其对铅离子（Pb2?）的高选择性吸附能力。即使在多种金属离子共存的模拟废水中，CMPA-s仍能有效地捕获Pb2?，这表明其在重金属污染治理方面具有潜在的应用价值。这种离子选择性吸附能力源于磺酸基团的强极性和电荷特性，使其能够通过静电作用与带正电的重金属离子发生相互作用，从而实现高效的污染物去除。

从更广泛的角度来看，CMP气凝胶的多功能性使其在SDIE系统中具有独特的优势。一方面，它们能够高效地将太阳能转化为热能，驱动水的快速蒸发；另一方面，通过化学修饰，它们还能实现对特定污染物的吸附和去除。这种双重功能的结合，使得CMP气凝胶不仅能够满足高效蒸发的需求，还能在净化过程中去除有害物质，从而为海水淡化和废水处理提供了一种一体化的解决方案。

在实际应用中，这种材料的低密度和高孔隙率使其能够快速吸收水分，并在蒸发过程中保持良好的水传输性能。同时，其低热导率有助于减少热量的散失，提高整体的热效率。这些特性共同作用，使得CMP气凝胶在SDIE系统中表现出优异的性能。此外，材料的结构稳定性也确保了其在长期使用中不会发生显著的性能衰减，这对于工业和大规模应用来说至关重要。

研究团队还通过系统的实验和表征手段，深入探讨了CMP气凝胶的结构与性能之间的关系。他们发现，通过调整单体的化学结构和反应条件，可以有效地调控CMP气凝胶的孔隙分布、表面性质以及光热响应。这些发现不仅为材料的进一步优化提供了理论依据，也为设计和开发新型多功能光热材料提供了重要的参考。

此外，本研究还强调了在SDIE系统中选择合适光热材料的重要性。理想的光热材料应具备宽谱光吸收能力、高光热转换效率以及良好的热管理性能，以确保在蒸发过程中高效利用太阳能，同时减少热量损失。CMP气凝胶的这些特性使其成为一种极具潜力的光热材料，能够满足实际应用中对高效、稳定和环保的要求。

综上所述，本研究通过设计和合成具有不同分子结构的CMP气凝胶，并结合磺化处理，成功开发了一种兼具高效太阳能蒸发和重金属去除能力的多功能材料。这种材料不仅在实验室条件下表现出优异的性能，还具备良好的环境适应性和结构稳定性，为未来SDIE技术的发展提供了新的思路和方向。同时，该研究也为光热材料的进一步创新和应用奠定了坚实的理论和实验基础。