我院研发出可规模化具有垂直孔道和分级结构的超轻光热气凝胶材料

【背景介绍】

近年来，为了有效缓解水资源危机，国际上相继报道了各种太阳能驱动的界面蒸发器的研究，用于从海水、废水中分离收集淡水。然而，用于界面蒸发的传统材料通常依赖于复杂的物理化学交联过程，存在易溶解、宏观形状和尺寸不可控、难以规模化等缺点。特别是，国际上报道的气凝胶材料内部无序多孔结构和不规则孔径分布不利于水蒸气的流通，导致析出盐晶体在蒸发器界面聚集堵住孔道。

【成果简介】

针对以上难题，我院唐少春教授团队受树木内部天然形成的纹理结构和蒸腾行为的启发，找到了有效的解决方案。团队采用冰模板研发出一种具有垂直定向孔道、超轻、形状和尺寸任意可控、可规模化制备的超轻气凝胶材料，并作为光热转化功能气凝胶用于集成自浮式太阳能驱动界面蒸发器。该气凝胶材料超轻特质使其在水面自漂浮，不仅具有优异的光热转换和热绝缘特性，而且内部垂直排列的规则通道实现了定向超快水传输。尤其是，相邻通道壁上大量均匀分布的小孔能够让蒸发器表面的浓缩盐离子动态回流，从而防止了通道被堵塞。该研究为气凝胶基太阳能界面高效持久海水淡化装置的设计及规模化应用提供了新的思路。相关研究成果近日以题名“Scalable Ultralight Wood-Inspired Aerogel with Vertically Aligned Micron Channels for Highly Efficient Solar Interfacial Desalination”发表在国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.3c11841），2020级硕士研究生张青原和2022级博士研究生陈玉为该论文的共同第一作者，我院院长唐少春教授和南京大学现工院王瑜副教授为该论文的共同通讯作者。

一、垂直定向孔道、超轻、形状和尺寸任意可控、超轻气凝胶材料的制备

首先，将羧甲基纤维素、对苯二甲酸和碱依次溶于去离子水中混合，基于冷冻干燥冰晶定向模板获得具有规则通道的高分子气凝胶（CMC-BDC）；然后，将其浸入吡咯/FeCl₃混合溶液中，从而在CMC-BDC表面及通道壁上生长聚吡咯（PPy），得到复合多功能超轻气凝胶（CBFP）材料。制得一提的是，该气凝胶的孔道结构、宏观形状和尺寸均可以实现任意调控。引入的聚吡咯不仅赋予这种易溶易加工高分子不溶于水的特性，而且通过非辐射弛豫和分子振动实现了高效光热转换，同时优异隔热性将热量集中在蒸发界面，从而进一步提高光热转换效率。

图1. (a) 基于复合多功能超轻气凝胶CBFP材料蒸发器的制备过程图；(b) 蒸发器通道吸水示意图；(c) 大型自浮蒸发器示意图；(d) 蒸发器的光热转换和隔热动态行为的示意图。 

图2. (a-f) 复合气凝胶材料的表面和横截面SEM图像。(g）复合气凝胶的超轻特性，树叶能够支撑其重量。(h-j）复合气凝胶的形状任意可控，能够实现大规模制备，能自漂浮在水面。(k) 与无序多孔结构的气凝胶相比，具有有序通道结构的复合气凝胶表现出更快吸水能力。

二、基于复合多功能超轻气凝胶材料蒸发器的光热转换和热定位效应

由于表层聚吡咯的高效光热转化能力和定向孔通道结构的协同作用，CBFP蒸发器的太阳光吸收率高达92.7%（图3a所示）。同时，复合气凝胶在干燥状态下导热系数低至0.196 W m^-1 k^-1，在潮湿状态下为0.284 W m^-1 k^-1，因此蒸发器具有优异隔热性能（图3b）。特别是，CBFP蒸发器实现了高效光热转换和热定位效应，如图3c所示，其表面温度在600秒内迅速升至35.7 °C。内部的水温度仍然很低（26.6 °C，图3d），表明CBFP能有效保留热量，最大限度地减少热量损失。

图 3. (a) CBFP蒸发器的太阳光吸收率。(b) CBFP蒸发器在干燥态和湿态下测得的热导率。(c) CBFP蒸发器在1个模拟太阳照射下的表面和水体温度。(d) CBFP 蒸发器整体温度分布。 

三、基于复合多功能超轻气凝胶材料蒸发器的海水淡化性能

团队系统评估了CBFP蒸发器的抗盐性能。如图4a所示，在浓度为10 wt.%氯化钠溶液中连续工作20小时后，水蒸发率始终保持在1.5 kg m^-2 h^-1。同时，在盐水蒸发过程中CBFP表面未检测到盐晶体的析出（图4b）；作为对比，具有不规则多孔结构的蒸发器表面完全被盐结晶覆盖。这表明CBFP具有优异的耐盐稳定性，抗盐性能归因于（图5c）：通道壁上分布大量小孔构成的分级结构，促进了水流在通道之间的连续流动，快速溶解了积聚在蒸发界面的高浓度盐。通过数值模拟和设计的动态盐溶解实验结果表明，在盐水蒸发过程中，蒸发器界面上的高浓度盐通过纵向对流迅速溶解，导致了蒸发器表面没有盐结晶出现，这也进一步证明了CBFP具有出色的动态盐稀释能力（图4d, 4e和4f）。

图4. CBFP和无序多孔蒸发器(a) 蒸发率和(b) 在盐水中20小时的盐水蒸发性能对比。(c) CBFP海水淡化过程和盐离子回流示意图。(d) CBFP模型温度分布的数值模拟。(e) CBFP模型的盐水传输和对流速度数值模拟。(f) CBFP表面的实时和动态盐溶解实验结果。

四、户外试验基于复合多功能超轻气凝胶材料蒸发器针对废水分离

 图5. (a) 从模拟不同浓度海水（1.4, 3.5和4.1 wt%）蒸发收集的凝结水中Na+的质量百分比。(b) 从模拟海水蒸发收集冷凝水中Na⁺、Mg²⁺、K⁺和 Ca²⁺的质量百分比。(c) 重金属离子污水和净化水中Cu²⁺、Pb²⁺和Cd²⁺的浓度。(d) CBFP针对含有不同颜料的废水在净化前后的吸收光谱。(e) CBFP 蒸发性能的室外试验，测试记录时间从早上6点整至下午6点整。

为了进一步评估CBFP蒸发器实际应用效果，团队开展了一系列户外试验。针对不同盐度的海水（北海1.4%，平均盐度3.5%和红海4.1%），结果如图5a, b所示，针对重金属离子废水和染液降解的户外蒸发试验结果分别见图5c和图5d。

分别经过CBFP蒸发处理后，收集的冷却水中存在的Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺，典型工业废水蒸发收集水中的Cu²⁺, Pb²⁺和Cd²⁺，以及染液蒸发收集冷却水中的色素粒子，它们的脱除率都接近100%，完全符合世界卫生组织（WHO）对日常饮用水的要求。需要强调的是，在户外蒸发测试中，CBFP蒸发器的平均蒸发速率达到了1.47 kg m^-2 h^-1（图 5e），这表明CBFP蒸发器能够在户外环境中实用。

【结论】

该研究从材料的设计和制备出发，利用冷冻干燥冰晶定向模板法，得到一种具有垂直定向孔道、超轻、形状和尺寸任意可控、可规模化的超轻气凝胶材料，并作为光热转化功能气凝胶用于集成自浮式太阳能驱动界面蒸发器。定向排列的通道孔结构、PPy包覆以及分级结构的协同作用，使其将强太阳光吸收、高光热转换、隔热以及优异输水能力集于一身，实现了具有高水蒸发率、高能量转换效率和长期稳定持续工作的高效太阳能驱动界面蒸发器。该工作实现了内部具备定向垂直排列通道和分级孔结构气凝胶的设计制备及其孔径的精准控制，为海水淡化、废水净化等提供了一种零能耗的绝佳技术，具有重要科学的意义和应用价值。 

原文出处：(Qingyuan Zhang, ^# Yu Chen,^# Yating Wang, Jiajun He, Peng Yang, Yu Wang,^* Shaochun Tang^*, Scalable Ultralight Wood-Inspired Aerogel with Vertically Aligned Micron Channels for Highly Efficient Solar Interfacial Desalination, ACS Applied Materials & Interfaces, DOI: 10.1021/acsami.3c11841).