化石燃料的过度使用引发了双重危机，导致不可再生资源短缺和环境污染。纤维素及其衍生物的开发符合可持续发展战略，引起了人们的极大关注。具有高孔隙率、低密度和丰富多孔网络结构的纤维素基生物质气凝胶成为一种备受关注的太阳能驱动清洁水资源供给材料。然而，受限于弱的光吸收能力和较差的机械性能，开发高效稳定的纤维素纳米纤维气凝胶蒸发器仍面临巨大挑战。
近日，青岛大学张苑苑副教授、姜伟教授团队和东华大学闫建华教授在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Beam-Column Structure Inspired Cellulose-Nanofiber-Based Composite Aerogel for Efficient Solar Desalination and Wastewater Purification”。受梁柱承重启发设计，研究者通过定向冷冻方法，利用纳米纤维素（CNF）骨架、胺基功能化的碳纳米管（PEI@CNT）和MXene之间的物理和化学缠结，制备出了具有类似梁柱结构纤维素纳米纤维基复合气凝胶（CPCM），该结构集成了互锁纤维的多孔结构和光热转换功能成分，表现出良好的机械性能和高效的光热转换效率。该研究为开发可长期稳定运行的高效环保型纤维素纳米纤维气凝胶海水淡化蒸发器提供了新思路。
图1：CPCM结构设计与形貌
图2：原材料与CPCM气凝胶的表征
图3：CPCM气凝胶形貌结构与成型过程表征
依靠定向冷冻技术，通过交联反应和强氢键作用成功构筑了由纤维素纳米纤维、胺基功能化的碳纳米管和MXene纳米片组成的多孔且有序的3D气凝胶结构。大量的CNF连续排列组成一系列片层结构，这些片层在复合气凝胶中充当“梁”的角色。此外，PEI@CNT和MXene与部分CNF束构成支撑层与层的“柱”结构。这些“柱”强化了片层之间的连接，为气凝胶构筑了一种连续的、有序的“梁-柱”框架结构，也为复合气凝胶的整体稳定性和特有的孔隙结构提供了关键性支撑。
图4：制备的CPCM的机械性能和太阳能驱动的水蒸发性能
得益于独特的梁柱结构，CPCM气凝胶展现出更优的压缩性能。如图4所示，CPCM-2在50%的应变下表现出最大的压应力，高于没有经过改性和复合纤维素纳米纤维气凝胶。此外，在80%的应变下进行大压缩后，CPCM-2气凝胶最大应力达到143.7 kPa，可以快速恢复到初始状态，变形最小，表明其具有优异的压缩弹性恢复能力和微观结构的稳定性。此外，CPCM气凝胶在1个太阳光密度照射下快速产生温度响应，将太阳能有效地转化为热能，有利于太阳能蒸汽的产生。
图5：太阳能驱动的CPCM的水净化性能
制备的CPCM气凝胶在太阳辐射下保持稳定的和高的蒸发效率，经历了多次重复使用后，CPCM的蒸发速率仍保持在较高水平，证明其具有长期稳定性，展示了CPCM气凝胶可持续淡水生产的潜力。此外，CPCM气凝胶具备优异的拒盐性能和盐分自溶解性能。同时，CPCM气凝胶离子截留率均在99%以上，远低于世界卫生组织（WHO）对饮用水的规范标准，也可以实现染料废水净化，在水处理领域展现巨大应用潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163882
人物简介：
张苑苑，青岛大学纺织服装学院副教授，山东省泰山学者青年专家，硕士生导师。主要从事无机微纳米纤维材料可控制备与功能性纺织品研发和应用研究，在Nature Communications、Advanced Materials、Science Advances、Chemical Engineering Journal等期刊发表论文20余篇，主持国家自然科学基金青年基金项目1项，入选中国纺织工程学会科技论文卓越行动计划。
姜伟，青岛大学纺织服装学院教授，纺织工程系主任、山东省重点扶持区域引进急需紧缺人才、泰山学者团队骨干成员、山东新型纱线及面料创新中心副主任、全国纺织品标准化技术委员会麻纺织品分技术委员会委员、山东纺织工程学会标准化委员会副主任委员。近年来主持国家自然科学基金、中央引导地方项目-黄河流域协同科技创新专项、宁夏自治区重点研发计划等国家、省级和横向项目23项。申请发明专利40项，其中已获授权33项，其中6项发明专利已实现科技成果转化300万元；制定团体标准6项，获中国纺织工业联合会科技进步二等奖2项。
闫建华，东华大学教授、博士生导师，主要研究柔性陶瓷纳米纤维材料及全固态锂电池工艺。完成国家优秀青年自然科学基金、国家重点研发计划课题等项目；获上海市千人计划、上海市青年科技启明星、中国科协青年托举人才等荣誉；获中国发明创业人物奖、中国产学研合作创新奖、中国发明创新成果奖等11项奖励。近五年，在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊发表论文60余篇；授权发明专利20余项。
