东北林大韩广萍/程万里、UBC Rojas团队ACS Nano：基于双纳米纤维互锁策略的常压干燥气凝胶助力高效大气集水

邃瞳科学云

2025-05-30

导读：本研究基于创新的双纳米纤维互锁增强策略，成功制备了无需任何交联剂组分的常压干燥CNF/SNF气凝胶。

研究简介

气凝胶材料凭借其多孔性和高比表面积，可作为良好的吸湿性材料载体用于吸附式大气水收集（AWH）。传统气凝胶制备主要采用冷冻干燥或超临界干燥技术，其成本高、工艺复杂且高耗能，而常规的常压干燥气凝胶又依赖于交联剂以提供更强更稳定的网络结构，从而导致必需的额外处理和制备工艺，且难以兼顾密度和强度。

针对以上问题，东北林业大学韩广萍教授、程万里教授、不列颠哥伦比亚大学Orlando J. Rojas教授、卢翊研究员合作提出有机纳米纤维（纤维素纳米纤维）和无机纳米纤维（二氧化硅纳米纤维）的机械互锁增强策略，制备了无需添加任何交联剂的低密度常压干燥气凝胶。其具有超低密度（10.86±0.32 mg cm^–³）、高比表面积（104.22 m² g^–¹），以及优异的水稳定性和增强的机械强度。在此基础上，通过引入碳基光热材料和吸湿性盐氯化锂，气凝胶在相对湿度15-75%的范围内实现了0.90-3.21 g^–¹的吸水能力。在自然光照下，AWH气凝胶产生水的速率为1.17 g g^–¹ day^–¹。研究结果表明，该常压干燥气凝胶在低湿、低光照环境下依然表现出良好的大气集水性能，展示出其在可持续、可扩展的大气集水应用中的巨大潜力。相关工作以“Hybrid Nanofiber-Based Atmospheric Water Harvesters: Sunlight-Driven Operation in Low-Humidity and Low-Illumination Environments”为题发表于《ACS Nano》。东北林业大学博士研究生胡轶为论文第一作者。

图文解析

图1. 冷冻-乙醇置换解冻-常压干燥策略制备纤维素/二氧化硅纳米纤维气凝胶。

该研究通过冷冻将纤维素纳米纤维（CNF）和静电纺丝二氧化硅纳米纤维（SNF）限制于冰晶间隙中形成增强的双纤维网络骨架。无需添加任何的交联剂成分，通过纤维素纳米纤维之间的氢键相互作用与二氧化硅纳米纤维的内结构增强形成了类似钢筋混凝土式的气凝胶孔壁结构，其整体强度和稳定性足以抵御干燥过程中毛细力引发的体积收缩。最终使用低表面张力的乙醇置换溶解冰，并通过常压常温干燥即可获得结构完整且极低密度的CNF/SNF气凝胶。

图2. CNF/SNF气凝胶的结构和力学性能。

结果表明，乙醇置换和常压干燥过程均十分迅速，整个过程小于8 h，而采用冷冻干燥技术干燥相同尺寸样品则通常需要36-48 h。SNF的引入可以优化气凝胶的微观结构，形成更厚更强的孔壁，实现稳固的结构内支撑。干燥后的体积收缩率仅约为8vol%，比表面积能够达到104.22 m² g^–¹，密度为10.86 mg cm^–³，是已见报道常压干燥气凝胶的最低密度。同时，该气凝胶力学性能优异、具备水稳定性且水下超弹性。

图3. LiCl@CCS集水气凝胶的构建及湿气吸收性能表征。

在此基础上，将光热材料碳纳米管（CNT）和吸湿性盐氯化锂引入上述气凝胶中，构建了具备良好吸湿特性的LiCl@CCS集水气凝胶。其多孔结构有利于吸湿盐的均匀分散和水分在吸收体-空气界面快速完成湿气捕获和传递。吸湿气凝胶在宽湿度（15~90% RH）范围内可以实现优异的吸附动力学行为和高水吸附容量（0.9-4.85 g g^–¹）。在多次连续的吸附/解吸循环中，也保持了稳定的吸湿性能，整体性能优于既往研究的大部分凝胶基吸附剂。

图4. LiCl@CCS气凝胶的光驱动水释放性能表征。

如图4所示，通过引入少量的CNT可显著提升气凝胶的光吸收率，从无CNT气凝胶的61.7%增加至97.4%。在1.0 kW m^–²光照下1h，表面温度升高至84.4°C，驱动水蒸发率达1.59 kg m^–² h^–¹。即使在低光照强度（0.4 kW m^-2）下，气凝胶仍可以实现0.69 kg m^–² h^–¹的蒸发速率。

图5. LiCl@CCS气凝胶的户外水收集性能测试。户外实验表明了气凝胶的实际集水性能。其可以在12h内吸收大气水分，光照5h释放并收集水分，每日产水量约为1.17 g g^–¹ day^–¹。

总结

本研究基于创新的双纳米纤维互锁增强策略，成功制备了无需任何交联剂组分的常压干燥CNF/SNF气凝胶。二氧化硅纳米纤维可以调控纤维素纳米纤维之间的氢键网络的强度，构建出强而稳定的孔壁结构。采用乙醇作为置换溶剂，可以降低毛细力压力和加速蒸发速率，且可以增强双纤维间的相互作用强度，解决了常压干燥过程中的结构易坍缩的科学问题。以最低的密度（10.86 mg cm^–³）实现强大的机械强度（杨氏模量350 kPa）。与既往研究中的冷冻干燥和超临界干燥技术相比，更加快速、节能且制备工艺简单。此外，将该气凝胶功能化改性，即可用于大气集水，可以在低光强和低湿度环境条件下稳定持续工作，为大气水收集提供了一种高效、低成本且可规模化的解决路径，有望助力于缺水地区的可持续水管理和水收集。