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新疆大学朱若斐副教授团队：强氢键多重仿生纤维素水凝胶！师法自然助力海水淡化，太阳能驱动废水净化新突破！

近日，新疆大学朱若斐副教授团队在期刊《Advanced Fiber Materials》上发表了最新研究成果“Multi-bionic Strategies Integration in Cellulose Nanofiber-Based Metagels with Strong Hydrogen-Bonded Network for Solar-Driven Water Evaporation”。尽管近年来太阳能驱动的界面蒸发技术（SDIE）在海水淡化领域的应用取得了快速进展，但水蒸发率仍然是一个长期的瓶颈。因为盐离子在设备特定区域的逐渐积累和结晶会导致蒸发速率和能效降低，从而降低整体蒸发性能。因此，SDIE系统中的耐盐性和阈值水蒸发率是推进这项技术的关键障碍。本工作旨在引入强氢键来降低水分子的蒸发焓，并结合多重仿生技术改善纤维素基水凝胶在分子尺度下水输运路径不可控的问题，同时实现了绿色无污染且高效的海水淡化及废水净化。

图1. 具有3D莲花外观的纤维素基水凝胶设计理念

研究者通过在纤维素纳米纤维表面引入亲水无机材料，在纤维素基水凝胶中形成无机-有机氢键网络，并通过改变纤维素晶型和冰模板法制备成莲花状，以激活纤维素表面基团促进氢键形成（图1）。该蒸发器将莲花形状、Janus润湿性（超亲水性莲花状花朵和疏水性莲花状叶子）和植物蒸腾作用结合在一起，在1.0太阳辐射下产生高达3.61 kg·m−2·h−1的优异水蒸发率，另外独特的莲花形状使其在海水淡化过程中能够从环境中吸收额外的能量，从而使水的最大蒸发效率达到94.94%。除此之外，具有Janus润湿性的双重多孔结构赋予蒸发器自浮能力和蒸发过程中的单向盐离子回流通道。值得注意的是，蒸发器可用于湿度极低的干旱地区的高效室外水净化，并且可生物降解和生物相容。无机-有机氢键交联网络和仿生特征的整合实现了高效光热水蒸发，为太阳能海水淡化和废水净化高效蒸发器的合理设计提供了新的见解。

图2 纤维素基水凝胶的结构分析

纤维素基水凝胶的SEM图像（图2）显示了其表面的海绵结构和微小空隙，另外，纤维表面上的膜状颗粒层对应于通过磷酸铝粘合剂粘附到蒸发器表面的炭黑纳米颗粒。XRD图像也印证了引入交联剂和粘合剂会使纤维素分子链完全膨胀，增加大分子之间的距离，以及纤维素Ⅰ晶型到Ⅱ晶型的转变。FTIR图像则验证了交联剂和粘合剂的成功引入。无机-有机氢键网络的形成导致羟基产生了大的蓝移，表明了存在强烈的氢键相互作用。XPS光谱图验证了粘合剂磷酸铝的渗入与无机-有机氢键网络的成功合成。

图3. 纤维素基水凝胶的太阳能驱动界面蒸发性能

本工作引入低成本炭黑纳米颗粒大大提升了纤维素基水凝胶全光谱太阳光的吸收率，使水凝胶在太阳光的照射下，其表面温度迅速升高，展现了水凝胶的优异的光热转换能力（图3）。莲花水凝胶在光照下，中心温度快速上升，随着时间的延长逐渐达到平衡，水凝胶下方水体温度略有升高，说明光热效用产生的热量存在于其表面部位，引入环境能量补充，实现了高效水蒸发。

图4. 纤维素基水凝胶的海水淡化及废水净化性能

纺织生产中染料废水属于难处理的工业废水，该工作利用太阳能使水凝胶可以实现模拟活性艳红染料废水高效净化，显著降低废水的吸光度和盐浓度以满足WHO对饮用水离子浓度的标准，从而达到了低碳环保的印染废水资源回用（图4）。除此之外，还对不同地区的的海水进行了蒸发实验来验证该水凝胶的海水脱盐性能，不同地区的海水样本净化后的盐度降低了三个数量级，大大低于世界卫生组织和美国环境保护局规定的标准。另外，其底部疏水结构使其能够漂浮在水面上，由于疏水结构的存在，在进行水处理时，印染废水中的盐离子不会堆积在气凝胶的底部，从而不会堵塞孔隙，而清洁水通过气凝胶表面蒸发，因此这大大增加了水凝胶的使用寿命。同时还利用分子动力学模拟分析了水凝胶交联网络内部强氢键对水分子蒸发的影响。

图5. 纤维素基水凝胶的户外实验及生物相容性

除此之外，设计了太阳能界面蒸发装置来探讨水凝胶材料作为界面蒸发器在现实场景中的适用性，本研究在新疆大学校园进行了户外实验(图5)。红外热成像仪图像显示水凝胶在户外阳光的照射下表面温度迅速上升并凝结成清洁水，并且蒸发器的侧面和中心区域之间有明显的温差，侧边温度和底部温度均明显低于环境温度，证实了环境温度对水凝胶的独特影响及其多环境的自适应性。此外，将纤维素基水凝胶与塑料共同掩埋于布满种子的土壤中，30天内水凝胶得到完全降解，并且期间用蒸发器净化得到的清洁水持续灌溉使得种子萌发，验证了水凝胶的可降解性以及净化水的无毒性。除此之外，通过将小鼠胚胎成骨前细胞MC3T3-E1放在纤维素基水凝胶中孵育48小时，观测其活/死细胞数来验证其无毒的生物相容性，证明了这一生物质衍生材料的绿色和可持续发展理念，使其成为通过绿色能源生产清洁水资源的有前景的候选材料。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-025-00517-w

人物简介：

新疆大学纺织与服装学院朱若斐副教授为本文的第一作者及通讯作者。课题组介绍：朱若斐：副教授，硕导，新疆大学。主要从事仿生超浸润纺织材料的开发、光热转换纳米材料的制备、界面蒸发盐废水回收技术、多功能性纺织品及纳米纤维素气凝胶的设计等相关领域学术研究工作。入选自治区天池英才省级人才项目，主持及参与4项纵向项目，发表SCI论文十余篇谷歌学术他引700余次，授权/申请国际及国内发明专利10项。

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来源：小邱的科学世界