《Carbohydrate Polymers》：Biomimetic multifunctional material: Bidirectional-freezing-mediated hierarchically ordered nanocellulose material with synergistic desalination and hydropower generation
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利用双向冷冻铸造和原位聚合法，本研究开发出具有仿生层桥多孔结构的TEMPO氧化纤维素纳米纤维基蒸发材料TPP-B。该材料在1 sun光照下实现3.40±0.16 kg/m2·h的高蒸发速率，能量效率达98.6±2.2%，同时具备4 mV的持续发电输出。当蒸发器高度增至15 mm时，蒸发速率提升至4.34±0.22 kg/m2·h。生命周期评估显示其碳足迹为8.03 kg CO?eq/kg，兼具优异机械性能、盐耐受性和高效热定位能力。研究为太阳能海水淡化与能源收集的协同解决提供了新策略。
唐宁|王迪|徐光耀|周舟|魏晨杰|李朵梅|岳一英
南京林业大学化学工程学院，中国江苏省南京市210037
摘要
生物质衍生的太阳能蒸发器为解决淡水短缺问题提供了有前景的方案，但传统设计的蒸发速率往往有限。受Thalia dealbata茎结构的启发，我们制备了一种TEMPO氧化的纤维素纳米纤维蒸发材料（TPP-B），该材料通过双向冷冻铸造结合原位聚吡咯聚合以及聚（4-苯乙烯磺酸钠）的引入，形成了仿生“层桥”多孔结构。这种双向冷冻诱导的结构赋予了TPP-B高效的热量局部化能力、高压缩强度、降低的蒸发焓以及显著的耐盐性。在1太阳光照下，TPP3-B的蒸发速率为3.40±0.16 kg m?2 h?1，能量效率为98.6±2.2%，同时还能稳定发电。将蒸发器高度增加到15毫米后，冷蒸发区和热量局部化效果得到增强，蒸发速率达到了4.34±0.22 kg m?2 h?1。生命周期评估证实TPP3-B的碳足迹较低（8.03 kg CO? eq. kg?1），突显了其环境优势。这项工作为水能耦合挑战提供了一种可持续的策略。
引言
淡水资源的稀缺、能源危机和环境压力已成为人类社会发展的严峻挑战（Zhang, Wang等人，2024年）。鉴于地球上97%的水资源是海水，无法直接利用，海水淡化技术的发展成为缓解淡水短缺的关键途径（Yu等人，2023年）。传统的海水淡化技术主要分为“基于膜”的方法和“基于热”的方法。基于膜的方法包括反渗透（RO）（Wen等人，2022年）、电渗析（ED）（Al-Amshawee等人，2020年）和膜蒸馏（MD）（Zhang等人，2022年），而基于热的方法主要包括多级闪蒸（MSF）（Alawad等人，2023年）和多效蒸馏（MED）（Kariman等人，2023年）。其中，RO和MSF等技术已成功商业化。然而，这些方法通常严重依赖化石燃料，导致环境问题，而且其高昂的建设和运营成本也限制了其广泛应用（Huang等人，2024年）。界面太阳能蒸汽生成（ISSG）是一种利用太阳能将能量输入和水蒸发过程集中在空气-水界面的技术，以实现高效淡化（Li, Xie等人，2022年）。近年来，由于ISSG系统具有高能量转换效率和环保性，已被广泛研究和应用于清洁水生产（Irshad等人，2025年）。
具有可调层次孔结构、低密度和低导热性的多孔材料对于界面太阳能蒸发器具有巨大潜力（Gan等人，2024年）。其结构设计对于开发高性能的ISSG设备至关重要（Sun等人，2024年）。在各种结构调控方法中，单向冷冻被广泛用于制备层次多孔结构。这种技术形成的排列整齐的通道显著提高了水传输效率（Lu等人，2024年）。然而，这种方法制备的多孔材料通常只具有简单排列的垂直通道，由于各向异性结构和缺乏横向连通性，其机械稳定性和热量局部化能力较差。这些缺点限制了它们在实际太阳能驱动的淡化过程中的长期耐用性和蒸发效率。
自然界为材料设计和开发提供了丰富的灵感。例如，Thalia dealbata茎的桥接层结构在微观尺度上集成了刚性、韧性和轻质性，使其能够在强风下保持稳定。双向冷冻技术使得设计出这种结构坚固的多孔材料成为可能（Yu等人，2022年）。与单向冷冻形成的简单柱状孔不同，双向冷冻同时在垂直和水平方向施加温度梯度，引导冰晶沿双轴方向生长，从而构建出具有桥接层和相互连接的微通道的仿生多孔结构（Li等人，2026年）。这种结构不仅保持了高效的水传输路径，还显著提高了机械稳定性和热量局部化能力。Yang等人利用双向冷冻技术制备了氧化石墨烯气凝胶，在50%应变下经过1000次压缩循环后仍保持了约85%的原始压缩强度（Yang等人，2017年）。Li等人通过双向冷冻铸造制备了各向异性的木质纤维素气凝胶，实现了0.062 W m?1 K?1的低导热性，既抑制了热量损失又实现了快速的水传输（Li, Zhang, Huang等人，2023年）。最近关于双向冷冻技术的研究主要集中在优化单一材料性能上，如机械强度或热量局部化。然而，实现高效界面太阳能蒸发不能仅依赖单一优势。高蒸发速率取决于多个因素的协同作用，包括坚固的机械稳定性、有效的热量局部化、低蒸发焓、优异的盐排斥性和可调的水传输通道。因此，开发能够整合这些多种功能并具有卓越综合性能的蒸发材料已成为推进太阳能驱动淡化技术的关键挑战。
纤维素被认为是制备多孔材料的理想选择，主要因其天然丰富、结构多样性、生物相容性和可生物降解性（Lee等人，2025年）。其纤维性质支持形成稳定、多孔且轻量的三维网络，适用于生物医学工程、环境修复和能源存储等领域。然而，表面羟基之间的强氢键导致纤维聚集，使得水相处理性能较差。为克服这一问题，采用TEMPO介导的氧化引入羧基，增强了亲水性并促进了静电排斥，从而形成稳定的分散体，提高了处理性能。在凝胶化过程中，这些改性纤维通过氢键和物理缠结形成了坚固的三维网络，共同增强了材料的机械强度和亲水性（Yue等人，2021年）。例如，Kim等人使用TEMPO氧化的CNFs和木质素纳米颗粒制备了高性能的LAPH气凝胶，在1太阳光照下实现了3.17 kg m?2 h?1的蒸发速率和83.4%的效率（Jeon等人，2023年）。这展示了化学改性纳米纤维素在高性能太阳能蒸发中的潜力。
受Thalia dealbata茎层次“层桥”结构的启发，我们采用双向冷冻技术将TEMPO氧化的纤维素纳米纤维（TOCN）组装成具有排列整齐的层状壁和周期性桥接单元的仿生材料。这种有序结构有望实现高机械强度、高效的热量局部化和快速的水传输，为同时进行太阳能驱动的淡化和发电提供了有前景的方法。为了实现这一多功能性，进一步通过原位聚吡咯（PPy）聚合和表面处理聚（4-苯乙烯磺酸盐）（PSS）对多孔TOCN框架进行了改性，最终得到了TPP-B蒸发器。该蒸发器具有优异的耐用性、出色的耐盐性和高效的热量局部化能力。在3.5 wt% NaCl溶液中，1太阳光照下，TPP3-B的蒸发速率为3.40±0.16 kg m?2 h?1，能量转换效率为98.6±2.2%，同时稳定产生4 mV的流式电势输出和0.117 mA的电流。通过增加蒸发器高度扩大冷蒸发区并利用其热量局部化效果，15毫米高的3D蒸发器实现了4.34±0.22 kg m?2 h?1的超高效蒸发速率。这项工作为设计结构可调、多功能性的蒸发材料以实现高性能和可持续的太阳能淡化提供了合理的策略。
材料与化学品
漂白木浆（BWP，W-50级，KC Flock，日本东京）在45°C下干燥12小时。2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物（TEMPO，98%）、溴化钠（NaBr）、次氯酸钠溶液（NaClO，6%–14%）、吡咯和聚（4-苯乙烯磺酸）溶液（30 wt%溶于H?O）购自Aladdin（中国上海）。盐酸（HCl）、氢氧化钠（NaOH）、FeCl?·6H?O和氯化钠（NaCl，≥99.5%）由南京化学试剂公司（中国南京）提供。
TPP的制备和形成机制
本研究通过双向冷冻结合原位聚合制备了具有仿生多孔结构的TPP-B（图1a, b）。制备过程首先通过TEMPO介导的氧化生成均匀分散、高长径比的TOCN纳米纤维，在其表面引入了羧基（图S1a）。这些羧基赋予了纳米纤维显著的电负性（Yue等人，2021年）（图S1b）。通过调整TOCN悬浮液的浓度
结论
总之，本研究通过合理的结构设计和功能整合，成功开发了一种高性能的基于TOCN的太阳能蒸发器/发电机。受天然植物茎层次结构的启发，采用了双向冷冻策略构建了具有精确可调微通道的仿生多孔网络。通过加入PPy作为光热和导电组分，进一步增强了机械稳定性
CRediT作者贡献声明
唐宁：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，正式分析，数据管理，概念化。
王迪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，正式分析，数据管理，概念化。
徐光耀：研究，正式分析，数据管理。
周舟：研究，正式分析，数据管理。
魏晨杰：正式分析，数据管理。
李朵梅：研究，数据管理。
岳一英：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：31901274）和江苏省农业科学技术自主创新基金（编号：CX（24）3049）的财政支持。
