水热双调控增强褐煤基气凝胶的太阳能驱动界面蒸发生成

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhanced solar-driven interfacial vapor generation of lignite-based aerogel via water and thermal dual management

　　摘要太阳能驱动的界面蒸发技术是一种节能且可持续的水处理方法，在应对全球水危机方面具有重要前景。实现高蒸发速率需要对水分管理和热能管理进行协同优化，以降低汽化焓并将热量聚集于蒸发界面。本文报道了一种采用互穿聚合物网络架构设计的褐煤衍生酚碳气凝胶/聚丙烯酸（LPCA/PAA）复合材料。褐煤组分富含烷基侧链和稠合芳香结构，赋予其本征宽谱太阳光吸收能力，无需使用昂贵的外源光热转化剂。同时，亲水性的PAA网络通过降低饱和含水量并促进中间态水的形成，调节气凝胶内的水状态，从而将热能集中至蒸发前沿。这种双重优化使材料在单倍阳光照射下实现2.23 kg m?2 h?1的高蒸发速率，对应的光到汽效率为91.5%。此外，LPCA/PAA蒸发器展现出优异的耐盐性、长期循环稳定性以及在极端条件下的稳健性能，凸显了其在实际淡水生产中的可行性。引言全球气候变化和人口增长加剧了水资源短缺，使其成为制约社会经济发展和人类福祉的关键瓶颈[1]。太阳能驱动的界面蒸发已成为一项有前景的脱盐技术，仅利用阳光即可生产清洁淡水，无需外部电力或温室气体排放[2]。与传统脱盐技术不同，太阳能驱动的界面蒸发提供了一种与全球低碳发展目标相一致的可持续途径[3]。光热材料是太阳能驱动界面蒸发的核心，作为光到热转化和局部蒸气产生的平台[4]。理想的光热材料需要宽谱太阳吸收、低热发射率、低成本和长期稳定性[5]。近期的研究工作开发了具有高效太阳吸收和高转换效率的先进光热材料，包括有机聚合物[6]、[7]、等离激元金属[8]、半导体[9]、[10]和碳基材料[11]、[12]。在这些材料中，碳基材料因其强宽带吸收和可调电子结构而脱颖而出；当设计成复合架构时，它们可以近似连续能带结构以增强光热性能[13]、[14]。例如，Yang等[15]设计了具有垂直通道的MoS?/MXene气凝胶，实现了2.75 kg·m?2·h?1的蒸发速率；而Wang等[16]构建了以碳纳米管和纳米铜颗粒增强的生物质基气凝胶，达到了1.76 kg·m?2·h?1。然而，大多数气凝胶蒸发器依赖于外源吸收体，如氧化石墨烯[17]、碳纳米管[16]、[18]、MXene[15]、[19]或聚吡咯[20]、[21]，这些材料需要复杂的合成、高昂的成本或存在可扩展性限制。这凸显了从丰富且低成本的原料中开发本征光热材料的需求。煤炭是一种丰富且低成本的资源[22]，其类石墨烯微观结构和π共轭键缩小了最高占据分子轨道与最低未占据分子轨道之间的能隙，从而实现宽带太阳吸收和高效光热转化[23]。这些特性使煤基材料非常适合用于太阳能驱动的界面蒸发[24]。褐煤与高变质煤不同，含有大量稠环芳环和含氧官能团（特别是羟基），赋予其优异的化学反应活性。在温和热处理条件下，褐煤可产生富集羟基和羧基官能团的乙醇可溶部分（ESP）[25]。我们此前利用该ESP开发了基于褐煤的酚碳气凝胶（LPCAs）作为高效光热材料[2]、[26]。尽管这些LPCA表现出优异的宽带太阳吸收，但其实际蒸发速率因过量吸水和高汽化焓而限制在1.86 kg m?2·h?1[2]。界面水科学的进展表明，亲水聚合物可以调节水的氢键网络以降低汽化能垒[27]。基于水凝胶的蒸发器利用这一原理来克服水的高潜热与自然阳光温和能量通量之间的不匹配。亲水聚合物链结合水分子形成含水网络，其中包含结合态水和中间态水（IW）；后者由于氢键减弱，其汽化所需能量低于体相自由水（FW）[28]。例如，Cui等[29]开发了一种MoS?/聚乙烯醇水凝胶，其中–OH基团增加了IW与FW的比值，将汽化焓降至1642 J·g?1，实现了2.95 kg·m?2·h?1的蒸发速率。类似地，Wang等[30]采用以聚吡咯和聚苯胺功能化的聚丙烯酸（PAA）水凝胶，通过高效的水分传输和隔热在单倍阳光下达到1.82 kg·m?2·h?1。基于上述见解，我们通过将水分管理和热能管理整合到单一架构中来克服LPCA的局限性。以三聚氰胺泡沫作为结构支架，通过聚合/凝胶化、真空干燥和碳化合成了LPCA，然后通过互穿网络策略将PAA引入该框架中以制备LPCA/PAA复合材料。在该设计中，LPCA提供强宽带太阳吸收（98.1%），而PAA网络则限制过量吸水并通过静电和氢键相互作用活化水分子以促进IW的形成。优化后的LPCA/PAA-2气凝胶表现出低饱和含水量（5.9 g·g?1）、高IW/FW比值（1.08）和快速水分传输通道，在单倍阳光下实现2.23 kg·m?2·h?1的高蒸发速率和91.5%的光到汽能量效率。此外，该材料展现出机械稳健性、耐盐性以及在恶劣条件下的稳定性能，共同增强了其在实际海水脱盐中的可行性。章节摘要材料甲酸、苯酚、甲醛（37 wt%）、乙醇、盐酸（36 wt%）、丙烯酸、过硫酸铵、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、亚甲基蓝、NaCl、KCl、MgSO?、MgCl?·6H?O、CaCl?、NiCl?·6H?O、CuCl?·2H?O、ZnCl?和CrCl?·6H?O均购自国药集团化学试剂有限公司。所有商用化学品均为分析纯，直接使用。ESP的制备将云南昭通褐煤（2 g）、甲酸（3 mL）和乙醇（30 mL）装入100 mL不锈钢高压反应釜中。LPCA/PAA的制备与表征如图1所示，首先以三聚氰胺泡沫作为结构支架，通过HCl催化的水热聚合反应，将甲醛、苯酚和褐煤衍生ESP聚合形成酚醛树脂网络。所得LPA呈深棕色，归因于ESP中丰富的长链不饱和脂肪侧基和稠合芳香结构在聚合过程中促进了扩展共轭体系和多环芳香结构的形成。结论总之，我们采用互穿网络技术制备了一种LPCA/PAA复合材料，用于高效、稳定和可持续的太阳能驱动界面蒸发。该架构实现了水分管理和热能管理的协同优化：LPCA支架提供宽带太阳吸收、高孔隙率和有利的热传导路径，而PAA网络则降低饱和含水量、将热量聚集在蒸发界面并增加IW比例。作者贡献声明熊梅：撰写 – 初稿，调查研究。燕鸿磊：撰写 – 审阅与编辑，调查研究。李展库：撰写 – 审阅与编辑，概念化。张伟东：撰写 – 审阅与编辑，软件。燕敬崇：撰写 – 审阅与编辑，验证。雷志平：撰写 – 审阅与编辑，可视化。雷超：撰写 – 审阅与编辑，方法学。任士标：撰写 – 审阅与编辑。王志才：撰写 – 审阅与编辑。水恒付：撰写 –利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。致谢本工作得到国家自然科学基金（批准号22108004、22478004、22078002和22178002）、安徽省教育厅自然科学基金（批准号2024AH050152）以及太原理工大学洁净煤高效利用国家重点实验室（批准号MJNYSKL202405）的资助。作者也感谢省"煤资源加工与清洁利用"创新团队的财政支持。熊梅 | 燕鸿磊 | 李展库 | 张伟东 | 燕敬崇 | 雷志平 | 雷超 | 任士标 | 王志才 | 水恒付安徽理工大学化学与化工学院，安徽省煤炭清洁转化与低碳利用重点实验室，安徽马鞍山 243002，中国