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  近日，江南大學付少海教授課題組在Chemical Engineering Journal（影響因子13.273）上發表了題為“Salt-resistant Schiff base cross-linked superelastic photothermal cellulose aerogels for long-term seawater desalination”的研究論文(DOI: 10.1016/j.cej.2021.131618)。受反向運輸的多孔水通道的啟發，通過醛基納米纖維素（A-CNF）和聚乙烯亞胺（PEI）發生席夫堿反應進行交聯并進一步與聚吡咯(PPy)原位聚合，借助冷凍組裝獲得了具有超彈性和光熱性能的太陽能蒸汽發生裝置（PPy@PEI@A-CNF氣凝膠）。這種具有多孔分層結構的纖維素氣凝膠有著出色的機械強度（100次壓縮-釋放循環后仍保持89.9% 的應變）、超低密度(0.021 g cm^?3)和熱導率(0.042 W m^?1K^?1)、高孔隙率(97.72%)和全光譜太陽能吸收(98.4%)。研究人員將該光熱纖維素氣凝膠漂浮于水面上并進行模擬太陽光光照，實現了氣-液界面的高效水蒸發，在一個太陽光下水蒸發速率和效率為1.66 kg m^–2h^?1和94.62%。同時由于大孔結構水分逆向傳輸中可以實現鹽分的快速再溶解，該氣凝膠在長期海水淡化過程中表現出優異的抗鹽和自脫鹽性能，并表現出對海水和廢水優異的凈化效果和可重復使用性。即使在模擬自然界最高鹽濃度的死海溶液中長時間連續光照，其光熱表面也沒有鹽分沉積；并且在其表面堆積鹽顆粒，也可以在短時間內迅速實現自上而下的溶解，性能優于大部分現有的耐鹽性蒸發體。這些發現為設計可重復使用的大孔太陽能蒸汽發生裝置，以滿足生態友好、高效和可持續的淡水獲取提供了一種新方法。

  全球水資源和能源短缺問題日益嚴重，全球約四分之一的人口無法獲得安全的飲用水。而在太陽光輻射下持續供應清潔水資源的太陽能蒸汽發生裝置(SSG)已被公認為是緩解全球水和能源危機的可持續方法，該研究團隊在之前的工作中系統地探討了潤濕性能對SSG蒸發性能的影響（https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129099）。然而，目前大多數SSG在長期海水淡化過程中面臨著鹽分在表面的積累，阻礙了水的供應和蒸汽的逸出，并顯著降低了蒸發效率。為了解決這個問題，提出了一種設計具有反向傳輸能力的多孔水通道的新策略：具有微米級大孔的分層結構可以促進高鹽含量的海水在SSG和散裝水之間的反向輸送，使積累的鹽分自動溶解回水中。但如何設計一種具有優異力學性能且易于制備，可實現長時間、高效蒸發且高耐鹽的SSG依然是一個挑戰。

合成方法及材料形貌

Fig. 1. (a) Schematic illustration for preparing PPy@PEI@A-CNF aerogel. SEM images of (b) A-CNF aerogel, (c) PEI@A-CNF aerogel and (d) PPy@PEI@A-CNF aerogel.

  光熱纖維素氣凝膠的制備過程如圖1a所示。帶有醛基的A-CNF和帶有大量氨基的PEI發生共價交聯反應形成席夫堿(C=N)，纖維素納米纖維的內部網絡在席夫堿的幫助下交聯，無需引入額外的離子。并且纖維素納米纖維溶液在冷凍過程中形成大冰晶，然后利用冷凍干燥的低溫和真空條件加速冰晶升華，從而形成多孔結構。隨后，在得到的氣凝膠表面進行吡咯的原位聚合反應。通過這個簡單的反應，引入了豐富的官能團（席夫堿、氫鍵和氨基）和光吸附劑（PPy）從而獲得了具有優異機械穩定性的 PPy@PEI@A-CNF氣凝膠。這種優異的機械強度和超彈性可歸因于該氣凝膠的多孔結構和柔性鏈段的引入：多孔結構具有冷凍干燥后冰晶升華留下的通道，可以在施加外力時充分緩沖和耗散機械能；原位聚合引入的PPy充當連接纖維素的“膠水”，這種納米結構的聚合物分子促進了應力轉移并避免了應力集中；氣凝膠存在大量活性基團和柔性鏈段，空間位阻小。因此通過這種易于制造的溫和反應可以制得能用于長期海水淡化的太陽能蒸汽發生裝置。

性能測試

Fig. 2. (a) Schematic diagram of SSG. (b) Mass changes of water as a function of solar irradiation time under 1.0 sun irradiation. (c) Surface temperature of A-CNF aerogel, PEI@A-CNF aerogel and PPy@PEI@A-CNF aerogel in the wet state as a function of solar irradiation time. (d) Water mass changes as a function of solar irradiation time for PPy@PEI@A-CNF aerogel at different optical concentrations. (e) Temperature changes as a function of irradiation time of PPy@PEI@A-CNF aerogel under different sunlight illumination on and off. (f) Water evaporation rate and efficiency of PPy@PEI@A-CNF aerogel at different optical concentrations.

  當PPy@PEI@A-CNF氣凝膠用于太陽能驅動的水蒸發時，隨著陽光進入多孔氣凝膠，層狀通道引起的散射促進了光捕獲，從而大大增加了太陽能吸收。此外，引入的光熱材料（PPy）可快速將太陽能轉化為熱量以進行有效的熱管理。重要的是，超親水氣凝膠及其多孔通道可以連續將水泵送到受輻射表面，從而增強局部加熱并釋放大量水蒸氣。同時，該氣凝膠的熱導率與空氣相當，可防止熱量從氣凝膠損失到水體中。借助于此，該光熱氣凝膠可以在不同光強的持續輻照下維持蒸發效率~95%。

海水淡化

Fig. 3. (a) The ion content of the aqueous solution from Yellow Sea before and after the solar-driven desalination. The red line represents the maximum value of the corresponding ion content specified by WHO. (b) The ion rejection of the aqueous solution after the solar-driven desalination. (c) The stability of PPy@PEI@A-CNF aerogel under continuous desalination in the aqueous solution from simulated Dead Sea (10 wt% NaCl solution). The salt-resistant and self-desalting performance of PPy@PEI@A-CNF aerogel. (d) Photographs of the PPy@PEI@A-CNF aerogel during solar-driven desalination in the aqueous solution from simulated Dead Sea. (e) 0.5 g and (f) 1.0 g of NaCl were placed on the surface of PPy@PEI@A-CNF aerogel during solar-driven desalination of the aqueous solution from Yellow Sea. (g) The solar-driven desalination cycle capacity of PPy@PEI@A-CNF aerogel under 1.0 sun. (h) Desalination efficiency of PPy@PEI@A-CNF aerogel compared with that reported in previous studies.

  該光熱氣凝膠對黃海海水中大量的離子淡化效率接近100%，可以直接獲得符合世界衛生組織（WHO）飲用水標準的清潔水資源。應對于高濃度鹽水的長期淡化，在氣凝膠優異輸水能力的基礎上，其結構可作為連續的逆向輸水通道，大量的水能迅速溶解表面的鹽晶。同時，PPy@PEI@A-CNF氣凝膠的表面溫度遠高于本體水的表面溫度。眾所周知，鹽的溶解度隨著溫度的升高而增加。因此，高表面溫度加速了鹽的溶解，而鹽分運動的驅動力是鹽分排放過程中鹽度差異引起的對流和擴散效應。因此，具有大孔的纖維素氣凝膠不僅具有耐鹽性，而且具有優異的自脫鹽性能，優于大多數參考文獻中報道的結果。

廢水凈化

Fig. 4. (a) Concentrations of heavy metal ions before and after the solar-driven purification. The absorption spectra of (b) MO and (c) MB solutions (10 mg/l) before purification and the condensed pure water (insets in (b) and (c) were the optical photographs of MO and MB before and after purification). (d) The adsorption of MO and MB solutions (10 mg/l) by PPy@PEI@A-CNF aerogel. (e) Real-time adsorption of MO and MB solutions by PPy@PEI@A-CNF aerogel. (f) Schematic illustration of dye removal by PPy@PEI@A-CNF aerogel through physical adsorption.

  在眾多先進的廢水處理技術中，利用太陽能凈化廢水生產凈水是一種簡單有效的方法。不論是對具有重金屬離子的工業廢水還是高色度的染料污水都展現了優異的凈化效果。令人印象深刻的是，PPy@PEI@A-CNF氣凝膠還可以用作注射器的濾芯迅速吸附溶解在水中的有機染料污染物，這是一種簡單、快速、高效的清潔水生產過程。從圖4f可以看出，PPy@PEI@A-CNF氣凝膠的吸附能力歸因于纖維素表面的羥基、席夫堿反應引入的大量基團以及靜電吸附。纖維素表面豐富的羥基可以分別與染料分子中存在的磺酸和叔胺基團中的氮和氧原子形成氫鍵。有機染料與吡咯環之間的靜電吸引力、π-π堆積相互作用也有助于污染物的有效吸附。同時，結合大孔氣凝膠平臺的高孔隙率和大比表面積，負載的聚合物與污染物分子之間的有效接觸面積大大增加。因此，這種對污染物的強大吸附能力有助于光熱氣凝膠克服傳統光熱材料對太陽輻射的過度依賴。

  綜上所述，這項工作通過席夫堿交聯和冷凍干燥組裝策略，構建了一種具有機械強度、優異的光熱轉換能力和對污染物吸附能力強的功能性可壓縮纖維素氣凝膠。值得注意的是，憑借優異的熱管理和多孔結構氣凝膠的快速泵水能力，太陽能驅動的長期海水淡化已成功實現。無論是對模擬死海或真實黃海的高鹽度海水進行脫鹽，該氣凝膠都具有優異的耐鹽性和自脫鹽性能。更重要的是，氣凝膠對海水中的高濃度離子和染料廢水中的高色度染料分子表現出優異的截留率。有趣的是，這種具有多官能團的大孔結構使氣凝膠能夠實現對染料分子的快速吸附能力。因此，這項工作可以為促進纖維素氣凝膠在海水淡化和印染廢水凈化的實際應用提供新的平臺。

  文章第一作者為江南大學紡織科學與工程學院2019級在讀博士研究生朱若斐，通訊作者為江南大學付少海教授和劉明明副研究員。

  參考文獻：Zhu R, Liu M, Fu S, et al. Salt-resistant Schiff base cross-linked superelastic photothermal cellulose aerogels for long-term seawater desalination [J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 131618.

  Zhu R, Liu M, Fu S, et al. Mussel-inspired photothermal synergetic system for clean water production using full-spectrum solar energy[J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 423: 129099.

  文章鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721031995

  作者介紹

付少海 教授、博士生導師，現任職于江南大學紡織科學與工程學院院長兼江蘇省紡織品數字噴墨印花工程技術研究中心主任。同時，擔任《Coloration Technology》、《紡織導報》和《服裝學報》編委；江蘇省紡織工程學會染整專業委員會委員；中國紡織工程學會理事。主要從事數字噴墨印花技術，生物質纖維功能化改性技術和迷彩隱身面料的設計與開發技術等領域研究。近年來，已在AM、ACS Appl. Mater. Interfaces等國內外學術期刊發表論文180余篇；授權美國發明專利1項，中國發明專利20項；獲中國紡織工業協會科技進步一等獎1項，中國石油及化學工業聯合會科技進步二等獎1項，江蘇省科技進步二等獎1項、三等獎2項，香港桑麻科技進步二等獎1項。

劉明明 副研究員、碩士生導師，現任職于江南大學紡織科學與工程學院，現為中國紡織工程學會、中國化學會和仿生工程學會會員。主要研究方向為仿生紡織基復合材料和材料表界面物理化學，及其功能涂層在材料防護和水處理領域的應用研究。以第一作者和通訊作者在ACS Nano, J. Mater. Chem. A, ACS AMI, Chem. Eng. J., Lagnmuir等雜志發表SCI論文30余篇，其中一區top論文20余篇，授權中國專利5項：先后榮獲中國科學院院長優秀獎、中國科學院優秀畢業生等榮譽稱號；主持江蘇省自然科學基金青年基金和中央高校基本科研計劃青年基金。

朱若斐 江南大學紡織科學與工程學院2019級在讀博士研究生。主要從事超浸潤仿生材料和光熱轉換能源利用的研究。致力于研究仿生超潤濕材料科學、先進的光熱轉換納米基材和水回收技術。以第一作者在ACS AMI, Chem. Eng. J.發表一區SCI論文4篇。主持江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目1項，江南大學優博基金1項以及教育部國家公派留學獎學金。參加2019年亞洲紡織會議（ATC-15）、2021年中國化學會第32屆學術年會（CCS）等國際學術會議。參加第十三屆江浙滬地區紡織學科研究生學術文化交流會和三校研究生學術沙龍并獲優秀項目；參加江南大學第五屆益海嘉里杯研究生學術論壇并獲得二等獎。