近年来，饮用水短缺和淡水资源分配不平衡已成为迫在眉睫的危机。传统海水淡化技术存在高能耗、设备腐蚀和盐积累等问题，而太阳能驱动界面蒸发技术因其低能耗和低碳足迹在海水淡化和污水处理方面备受关注。然而，盐水蒸发速率和耐盐性仍是其发展的瓶颈，为了解决这些问题，新疆大学朱若斐副教授课题组提出了氢键诱导自组装构筑多级强氢键网络纤维素水凝胶的新策略，来改善纤维素基水凝胶在分子尺度下水输运路径不可控、氢键动态稳定性不足的问题。相关研究成果以“Multi-Bionic Strategies Integration in Cellulose Nanofiber-Based Metagels with Strong Hydrogen-Bonded Network for Solar-Driven Water Evaporation”发表于《Advanced Fiber Materials》。

  该研究通过强碱诱导纤维素纳米纤维晶型重构，在分子间引入高度取向的氢键协同交联网络，强化氢键缔合作用实现水凝胶从分子尺度到纳米-微米尺度的网络优化，显著提升界面蒸发过程中水分子扩散的方向性及渗透通量。受自然界莲花的多重理念启发（图1），水凝胶集成了莲花的3D外观构型、亲水性莲花花瓣(WCA=0°)和疏水性莲叶(WCA=132°)的Janus润湿性以及植物水分蒸腾作用。独特的莲花3D构造使水凝胶在海水淡化过程中可以从环境中获得额外的能量补充，Janus润湿性不仅使其具有自漂浮能力并在盐水蒸发过程中具有单向的盐离子回流通道从而实现自脱盐，并且利用水凝胶内部的强氢键网络结构加速了水分子在其内部的扩散和蒸发，在一个太阳光辐射下，水分蒸发率高达3.61kg·m^-2·h^-1，蒸发效率为94.94%，为海水淡化提供了一种耐盐且高效的技术支持。

图1. 具有3D莲花外观的纤维素基水凝胶设计理念

  低成本炭黑纳米颗粒的引入使得纤维素基水凝胶全光谱太阳能的吸收率达到了98.24%，并且水凝胶在1.0和2.0标准太阳光照射下，表面温度分别从21°C迅速上升到约72°C和95°C，表明其作为太阳能驱动界面蒸发器的潜力。当水凝胶漂浮于气液界面时，热量被局限在气液界面，导致在界面处有最大的蒸发效果。此外，由于独特的3D莲花构造，水凝胶在蒸发过程中底部的阴影处存在大量低于环境温度和水温的冷区，可以实现能量从环境到较冷（亚环境）表面的环境能量补充从而加速水的蒸发。

图2. 纤维素基水凝胶的太阳能驱动界面蒸发性能

  染料废水的处理一直是纺织工业的长期瓶颈，该研究将含有大量无机盐类和染色助剂的酸性蓝染料（羊毛染色的副产品）和活性红染料（棉花染色的副产品）废水作为典型污染物，使用纤维素基水凝胶进行界面水蒸发，成功实现了脱色和脱盐效果，净化水的离子含量远低于WHO对饮用水的标准。此外，为了证明水凝胶蒸发器的海水脱盐性能，该研究对来自世界不同地区的三个海水样品进行了蒸发测试，结果均验证了其出色的盐分去除能力。另外，海水淡化期间水凝胶也展现了优异的耐盐性和自脱盐性能，这是由于水凝胶的超亲水莲花花瓣可以实现盐回流和水蒸发，底部的疏水荷叶结构可以阻止底部盐水的浓缩结晶，水凝胶的多孔结构在不同的方向上提供了许多有效的水输送通道（图3），这些通道的流动连接了蒸发界面和盐水以确保超快的盐传输。此外，还利用分子动力学模拟，分析了纤维素基水凝胶交联网络在分子水平上对水蒸发的优势，这种强氢键连接了材料内部中的大量分子，使得水分子通过通道结构快速扩散并在界面上加速蒸发。

图3. 纤维素基水凝胶的海水淡化及废水净化性能

  为了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4，中国乌鲁木齐)。水凝胶蒸发器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，证实了环境温度对其独特影响，以及水凝胶材料对室外环境的适应性。此外，将纤维素基水凝胶与商用塑料共同掩埋于布满种子的土壤中，其可以在30天内完全降解，并且期间用净化盐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。通过将小鼠胚胎成骨前细胞MC3T3-E1在纤维素基水凝胶中孵育48小时后观测活/死细胞数验证了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。

图4. 纤维素基水凝胶的户外实验及生物相容性

  综上所述，本研究提出了一种创新的策略，结合氢键交联网络和多种仿生特性，设计了一种高效的可持续和生物可降解的纤维素基水凝胶并用作太阳能驱动界面蒸发器。其实现了对世界不同地区海水资源的长期净化，保证了盐离子的反向通道流动和自溶解。在干旱地区自然光下进行的室外水分蒸发实验，结果表明每平米的纤维素基水凝胶可以满足8个成年人的日常饮用水需求，并验证了净化水的安全性，这项工作的发现有望解决海洋污染和水资源短缺的问题。

  该研究成果“Multi-Bionic Strategies Integration in Cellulose Nanofiber-Based Metagels with Strong Hydrogen-Bonded Network for Solar-Driven Water Evaporation”(DOI:10.1007/s42765-025-00517-w)论文第一作者及通讯作者为新疆大学纺织与服装学院朱若斐副教授。

  原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42765-025-00517-w