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  世界范圍內水資源短缺問題的日益加重促進了清潔高效的淡水供應技術的快速發展。從緩解能源危機和環境問題的角度來看，利用太陽能的光熱轉換驅動水快速蒸發是一種獲取淡水的有效手段。太陽能驅動的界面水蒸發目前被公認為是一種高效且可持續的淡水供應技術。然而，為實現高能量轉換效率，界面蒸發系統結構復雜，通常由幾個模塊組合而成，包括專門的水輸送、光熱轉換、熱管理和支撐部件。

  近日，浙江大學王樹榮教授團隊以纖維素納米纖絲（CNF）作為基本骨架，Ti₃C₂T_x MXene作為光熱功能填料，通過預凍成型、溶劑交換、定向冷凍和凍干方法，開發了一種新型的具有Janus特性的生物質基復合氣凝膠，并將其用作獨立式太陽能界面蒸發器。此Janus結構CNF/MXene復合氣凝膠（簡稱為JCM氣凝膠）的上下兩部分具有相反的潤濕性，其下層為親水的CNF氣凝膠（簡稱為CA）可進行持續的水傳輸，上層為硅烷疏水改性的CNF/MXene氣凝膠（簡稱為CM氣凝膠）可進行光熱轉換并具有隔熱性。JCM氣凝膠獨特的Janus特性以及其內部的微通道結構使其能夠穩定地自漂浮于水面，并具有卓越的蒸發性能。在1個太陽光照下，JCM氣凝膠的水蒸發速率高達2.287 kg m^-2 h^-1，對應于88.2%的蒸發效率。此外，JCM氣凝膠在海水淡化應用中也體現了出色的耐鹽性和耐久性。該工作以“Janus biocomposite aerogels constituted of cellulose nanofibrils and MXenes for application as single-module solar-driven interfacial evaporators”為題發表在知名期刊Journal of Materials Chemistry A上。

圖1 JCM氣凝膠的制備示意圖

圖2 C10M5的SEM圖像：（a-c）不同放大倍數下的橫截面圖像；（d）縱截面圖像。

  在橫截面SEM圖像中，可觀察到C10M5內部孔隙呈類紡錘形，平均尺寸約為86 μm×28 μm。該結構的形成不僅由于MXene本身具有二維結構，同時也歸因于冷凍時冰晶生長造成的擠壓。由于一維的CNF是C10M5的主要結構單元之一，C10M5的一部分沒有完全被冰晶擠壓的區域也具有一維纖維結構。此外，通過更高的放大倍率在片狀結構的交聯處可觀察到直徑為幾百納米級的孔隙。縱截面SEM圖像中，可以看出C10M5具有豎直排列的孔道結構，這是通過冷凍過程冰晶定向生長而形成的。

圖3 （a）1個太陽光照下，使用JC10M5蒸發不同濃度NaCl溶液時蒸發速率隨時間變化曲線；插圖為蒸發6 h后JC10M5上表面的數碼照片；（b）連續10天（每天6 h）在1個太陽光照下使用JC10M5蒸發3.5 wt% NaCl溶液的水蒸發速率隨時間變化曲線；（c）模擬海水和淡化水中的Na⁺，Mg²⁺和Ca²⁺濃度。

  使用JC10M5蒸發不同濃度NaCl溶液，在連續6 h的太陽光照下，JC10M5在不同的階段體現出不同的蒸發速率。連續蒸發6 h后，可觀察到JC10M5上表面沒有鹽晶粒沉積。JC10M5還具有良好的耐久性。連續10天每天連續6 h蒸發3.5 wt% NaCl溶液，在第10天蒸發結束前JC10M5的蒸發速率僅輕微降低至1.95 kg m^-2 h^-1。模擬海水經JC10M5脫鹽后，其中Na⁺，Mg²⁺和Ca²⁺的濃度從11505，1375，299 mg L^-1顯著降低至1.486，0.025，0.584 mg L^-1。

  論文的第一作者為浙江大學博士研究生韓昕宏，通訊作者為王樹榮教授。

  原文鏈接:https://doi.org/10.1039/D1TA04991G