双阴离子协同交联调控碳基水凝胶孔隙结构面向高效抗盐太阳能蒸汽生成

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Dual-Anion Synergistic Crosslinking Tailoring Pore Structures in Carbon-Based Hydrogels Towards Efficient Salt-Resistant Solar Steam Generation

　　

摘要

基于碳的水凝胶在太阳能界面蒸发方面具有广阔的应用前景，但其相对较大的孔结构降低了毛细力，限制了高效的水传输。因此，我们利用羧甲基纤维素（CMC）与海藻酸钠（SA）在Ca²⁺作用下的协同交联来调控水凝胶的孔结构，并引入煤沥青基多孔碳（ACP）作为光热材料，构建了水凝胶蒸发器ACP@SA/CMC-1。得益于优化的多孔网络和丰富的亲水官能团，ACP@SA/CMC-1表现出72.6%的中间水含量和低至1434.4 J·g^-1的等效蒸发焓。同时，ACP强大的光吸收能力使其总太阳能吸收率达到98.37%。在1 kW·m^-2的辐照强度下，ACP@SA/CMC-1实现了1.57 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率。更重要的是，在高盐度卤水中经历重复的盐沉积-溶解循环后，ACP@SA/CMC-1表现出优异的耐盐性、长期稳定性和耐用性。

引言

淡水资源对人类生存和可持续发展至关重要。然而，地球上约3%的水为淡水，其中超过68%被锁在冰盖和冰川中，仅有约1%可直接使用[1], [2], [3]。为缓解淡水短缺，开发有效的净水技术势在必行。传统的脱盐和净化方法，如多级闪蒸蒸馏[4]、多效蒸馏[5]、反渗透[6]和电解[7]，已取得显著进展。然而，上述技术的高成本仍是其在欠发达地区应用的主要障碍[8], [9]。太阳能驱动的界面水蒸发因其环境友好和运行成本低廉而受到广泛关注[10], [11]。在各种蒸发器材料中，水凝胶因其低成本和环保特性在太阳能脱盐领域备受青睐[12], [13]。

具有优异宽带太阳能吸收、优良水传输性能和多孔结构的碳基水凝胶已成为首选的光热蒸发器材料[14], [15]。特别是，碳纳米管[16]和石墨烯[17]等碳纳米材料被广泛用于太阳能制汽。然而，碳纳米材料的高生产成本和复杂制造过程阻碍了其大规模应用[18], [19]。多孔碳材料可通过多尺度内部反射增强光吸收，并通过声子散射降低热导率[20], [21]。同时，多孔碳丰富的孔隙率、结构可调性和易于改性使其在海水脱盐及相关领域得到广泛应用[22]。值得注意的是，煤沥青是制备光吸收多孔碳的理想前驱体，具有高碳含量、低成本和易于活化的特点[23], [24]。

海藻酸钠（SA）与Ca²⁺发生物理交联形成"蛋盒"结构，构建三维网络，消除了残留化学交联剂带来的环境问题[25], [26]。此外，SA水凝胶含有大量亲水官能团，促进水传输，提高中间水比例，降低水蒸发所需的能量[27], [28]。然而，SA水凝胶中过大的孔结构削弱了毛细力驱动的传输，破坏了供水与蒸发之间的平衡，最终限制了蒸发性能[29], [30], [31]。值得注意的是，富含羟基和羧基的羧甲基纤维素（CMC）与SA相互作用，与Ca²⁺协同配位，增强网络交联并协同调控水凝胶的孔结构[32], [33], [34]。因此，我们以SA和CMC为凝胶基质，并掺入高比表面积煤沥青基多孔碳（ACP）作为光热材料，构建了一种多阴离子水凝胶蒸发器（ACP@SA/CMC-1）（图1）。具有发达三维网络和丰富亲水官能团的ACP@SA/CMC-1在1倍太阳辐照下实现了1.57 kg·m^-2·h^-1的蒸发速率和98.37%的太阳能吸收率，展现了高效的光热转换和蒸发性能。

各部分片段

ACP@SA/CMC水凝胶的制备

将SA（0.9 g）、CMC（0.1 g）和ACP（40 mg）[35]分散在25 mL去离子水中，在600 rpm下搅拌8小时。将混合物在-20 ℃下冷冻，冻干，然后浸入50 g·L^-1 CaCl₂溶液中24小时，再用去离子水洗去残留离子。所得水凝胶称为ACP@SA/CMC-1。在相同条件下制备了不含ACP的对照样品，称为SA/CMC-1。

按照相同的程序，同时保持(SA + CMC)的总质量不变……

结果与讨论

网络通过Ca²⁺与SA的G-块配位形成"蛋盒"结构而构建，随后通过Ca²⁺与CMC羧酸基团之间的配位增强网络，并伴随CMC与SA之间的分子间氢键作用。SEM图像显示，ACP@SA呈现平行片层结构，层间距从几十到几百微米不等（图2a）。CMC的引入抑制了SA链之间的静电排斥……

结论

在本工作中，我们引入了CMC与SA对Ca²⁺的协同交联来调控碳基水凝胶的三维孔结构，从而制备出具有明确多孔结构和丰富亲水官能团的ACP@SA/CMC-1蒸发器。此外，掺入的煤沥青基多孔碳表现出强烈的光吸收和高效的光热转换，实现了有效的太阳能向热能的转换并提高了……

CRediT作者贡献声明

Yakun Tang（唐雅坤）：撰写——审阅与编辑，验证，调查研究。Lei Liang（梁磊）：验证，调查研究。Lang Liu（刘朗）：验证，调查研究。Yue Zhang（张越）：验证，调查研究。Sen Dong（董森）：验证，调查研究。Yu Hao（郝宇）：撰写——初稿，验证，调查研究，概念构思。

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会影响本文所报告的工作。

致谢

郝宇和董森对本工作有同等贡献。本研究得到了新疆人才发展基金（XJRC-2025-KJ-PY-KJLJ-016）、新疆维吾尔自治区自然科学基金重点项目（2022D01D28）和新疆维吾尔自治区"天山英才"科技创新团队（2024TSYCTD0002）的支持。

支持信息

材料；表征；溶胀实验；平衡水含量；水力渗透性；光吸收；太阳能驱动水……

Yu Hao（郝宇）|Sen Dong（董森）|Lei Liang（梁磊）|Yakun Tang（唐雅坤）|Yue Zhang（张越）|Lang Liu（刘朗）

碳基能源资源化学与利用国家重点实验室，新疆大学化学学院，中国新疆乌鲁木齐，830017