随着化石能源大量消耗引发的资源枯竭与生态危机问题愈发严峻，寻找可持续、环保的新材料已成为全球关注的焦点。纤维素作为一种来源丰富的天然高分子原料，具有良好的可再生性和生态友好特质，被广泛视为推动绿色材料革命的重要力量。近年来，以纤维素为基础构建的生物质气凝胶，凭借其轻质、多孔等结构优势，逐渐在太阳能驱动的水净化应用中展现出前沿潜力，有望成为下一代清洁水资源解决方案的关键材料。然而，这类材料在实际应用中仍面临巨大挑战：其光吸收能力较弱，且机械性能难以满足复杂环境下的长期使用要求。因此，开发高效稳定的纤维素纳米纤维气凝胶蒸发器具有重要的现实意义。

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受“梁-柱”承重启发设计，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”结构的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，具有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，相关成果以“Beam-Column Structure Inspired Cellulose-Nanofiber-Based Composite Aerogel for Efficient Solar Desalination and Wastewater Purification”为题，发表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。

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的纤维素纳米纤维气凝胶。此外，在80%的应变条件下进行大压缩，CPCM-2气凝胶的最大应力达到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且高效的蒸发效率，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气凝胶可持续生产淡水的潜力。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气凝胶的离子截留率均在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，在水处理领域展现出巨大的应用潜力。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.163882

（来源：易丝帮）