集成碳化锆-氧化石墨烯光热系统的双层纤维素气凝胶实现可持续太阳能海水淡化

本研究报告了一种新型Janus双层纤维素气凝胶，通过将亲水性底层（CNF/PVA）与疏水性顶层（GO/ZrC）结合，实现了高效太阳能驱动界面蒸发（ISSG）。该材料具备全光谱（250–2500 nm）光热吸收、快速水传输、优异热绝缘及抗盐结晶能力，在1太阳光照下蒸发速率达2.00 kg m?2 h?1，光热转换效率达94%。其绿色制备工艺与机械稳定性为可持续海水淡化提供了创新解决方案。

　　

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Materials

本研究使用的主要材料和试剂包括：纤维素纳米纤维（CNF，固含量1.87 wt%），购自江苏北方世纪纤维素材料有限公司。其通过机械法制备，直径约3–30 nm，羧基含量为零，纤维素含量＞95 wt%，木质素和半纤维素含量可忽略。聚乙烯醇（PVA，分子量约70,000–80,000 Da，醇解度98%–99%，型号1799）、碳化锆（ZrC，粒径50 nm，纯度99.9%）购自上海麦克林生化科技有限公司。氧化石墨烯（GO，厚度0.8–1.2 nm，直径10–50 μm）购自南京先丰纳米材料科技有限公司。甲基三甲氧基硅烷（MTMS，纯度98%）和所有其他化学品均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。所有试剂均直接使用，无需进一步纯化。

Results and discussion

图1示意性展示了Janus纤维素气凝胶的两步制备过程及分子机制。如图S11a所示，N?吸附-脱附等温线呈现明显滞后环，表明存在介孔（2–50 nm），这些介孔与连通多孔网络中的毛细管冷凝和蒸发相关。图S11b展示了孔径分布，显示介孔范围占主导。SEM图像进一步揭示了宽通道与介孔共存的结构，为快速水传输和蒸汽逸出提供了理想路径。

Conclusion

本研究开发了一种新型宏观Janus双层纤维素气凝胶，实现了亲水-疏水功能与宽带光热转换的协同整合。通过将GO和ZrC作为光热剂引入CNF/PVA框架，并通过MTMS建立有机-无机交联网络，该气凝胶表现出高效的水传输、热绝缘和强全光谱（250–2500 nm）光吸收能力，同时具备优异的机械弹性和抗盐结晶性能。