具有垂直通道和锥形顶结构的Janus纤维素基气凝胶用于高效太阳能驱动水蒸发与污染物降解

针对太阳能驱动水蒸发材料蒸发速率低、热管理能力不足及复杂污染物去除效率差等问题，研究人员设计了一种基于TEMPO氧化纤维素纳米纤丝（TOCNF）的Janus光热蒸发器（HZC-CNF）。该材料通过垂直通道和锥形顶结构增强光吸收与水分传输，结合ZIF-67催化剂实现污染物高效降解，蒸发速率达1.97 kg m?2 h?1，环丙沙星去除率>90%，为可持续水处理提供创新方案。

　　

全球淡水资源短缺与水污染是当前最严峻的环境危机之一。联合国报告预测，2025年全球超半数人口将面临淡水短缺风险，而工业化进程加剧了抗生素、染料等有机污染物在水环境中的积累。太阳能驱动水蒸发技术因其清洁、高效的特点成为研究热点，但现有材料仍存在光热转换效率低、热损失大及污染物去除不彻底等瓶颈。

为解决这些问题，中国研究人员开发了一种新型Janus光热蒸发器（HZC-CNF）。该材料以TEMPO氧化纤维素纳米纤丝（TOCNF）为基底，通过定向冷冻技术构建垂直排列通道和锥形顶结构，结合碳纳米管（C-CNT）和ZIF-67催化剂，实现了光热蒸发与污染物降解的协同作用。研究发表于《Carbohydrate Polymers》。

关键技术包括：1）定向冷冻构建垂直通道与锥形结构；2）硅烷化修饰降低光热层热损失；3）原位生长ZIF-67催化剂；4）UV-vis-NIR光谱表征光吸收性能；5）实验室与实际环境下的蒸发与污染物降解测试。

材料合成与表征
通过氢键作用将TOCNF与C-CNT复合形成稳定网络，ZIF-67通过种子法原位结晶。垂直通道结构使光吸收率达95%，锥形顶增加蒸发面积。

性能测试
HZC-CNF表面温度达90°C，蒸发速率1.97 kg m^?2 h^?1，环丙沙星降解率>90%。硅烷化修饰使热损失降低30%。

结论与意义
该研究通过结构设计与功能材料结合，解决了传统光热材料的核心缺陷。纤维素基氢键网络降低水蒸发焓，ZIF-67催化实现污染物同步降解，为可持续水处理提供了兼具高效性与环境友好性的解决方案。