基于层级结构纤维素水凝胶的高效太阳能界面蒸发系统设计与应用

针对传统太阳能蒸发器水补给效率低、能耗高的技术瓶颈，研究人员创新性地开发了具有层级多孔结构的双交联纤维素水凝胶（BDCH）蒸发器。该材料以天然纤维素为基质，结合碳黑光吸收剂，实现了90%的能量转换效率和2.79 kg·m?2 ·h?1 的蒸发速率，兼具优异的抗盐沉积和污染物去除能力，为可持续海水淡化提供了低成本解决方案。

　　

随着全球淡水危机加剧，传统海水淡化技术如反渗透（RO）因高能耗和环境污染问题面临挑战。太阳能界面蒸发技术因其零能耗特性成为研究热点，但现有蒸发器受限于水传输效率低、热损失大等缺陷。针对这一难题，研究人员通过仿生设计开发了具有层级孔道的双交联纤维素水凝胶（Bilayer Double-Crosslinked Cellulose Hydrogel, BDCH），其创新性地结合化学交联区与物理交联区结构，实现了水补给-蒸发-热管理的协同优化。

研究团队采用化学交联（环氧氯丙烷）与物理交联（乙醇诱导相分离）的序贯方法构建BDCH。通过调控纤维素/碳黑复合比例优化光热转换性能，并利用冷冻干燥技术形成多级孔道。材料表征显示，上层20 μm大孔和下层5 μm小孔的梯度结构可同步实现快速输水（毛细作用）与高效热局域化（导热系数0.35 W·m^?1
·K^?1
）。

材料设计与性能
BDCH的化学交联网络赋予其优异机械强度（压缩模量85 kPa），而物理交联区丰富的羟基将水的蒸发焓从2440 kJ·kg^?1
降至1710 kJ·kg^?1
。XRD分析证实碳黑（CB）以纳米簇形式均匀分散，使光吸收率达96%（300-2500 nm）。

蒸发性能
在1太阳光照（1 kW·m^?2
）下，BDCH蒸发速率达2.79 kg·m^?2
·h^?1
，较传统水凝胶提高47%。红外热像显示蒸发界面温度稳定在34.5°C，证实热局域化效果。连续处理10 wt% NaCl溶液120小时后，表面无盐结晶，归因于孔道的定向输水-排盐平衡。

污染物去除
对含甲基蓝（MB）和甲基橙（MO）的废水，BDCH通过尺寸排阻和静电吸附实现>99%的染料去除率，产水色度<5 PCU（铂钴单位）。XPS分析表明纤维素羟基与染料分子形成氢键是关键机制。

该研究开创性地将生物质材料与界面工程相结合，BDCH的90%能量效率刷新了纤维素基蒸发器的纪录。其原料成本仅为石墨烯蒸发器的1/20，且全组分可生物降解。研究为开发高效、低环境影响的太阳能水处理系统提供了新范式，相关成果发表于《Desalination》。未来通过集成智能响应材料，有望实现蒸发速率与抗污性能的进一步提升。