近年来，基于“可再生能源”的高效、安全可靠、低碳环保和可持续的水净化新技术对解决日益严重的饮用水危机具有重要的意义，得到了科学界和产业界的极大关注和重视。太阳能因具有分布广泛、可持续和无污染等优点是真正意义上的绿色能源。将太阳能转换技术（光伏和光热技术）与水净化技术结合是解决饮用水资源短缺很有前景的方法，在太阳辐照丰富、能源短缺、经济欠发达的地区很有应用潜力，已成为水净化领域的研究热点之一。太阳能界面光热转换与水蒸发已成为一种新型、可持续和无污染的清洁水生产技术。目前，针对一体式三维界面蒸发器的快速、大量和形状可控制备与多功能集成应用仍存在诸多挑战。
图1 本研究开发的基于海洋生物质复合材料的气凝胶微球的结构、性质和功能简介
近期，中国海洋大学材料科学与工程学院徐晓峰教授课题组基于天然高分子复合材料“可控”制备了一种气凝胶光热微球，该微球由改性的纤维素、质子化的壳聚糖、纳米碳粉共混组成（图1）。基于复合海洋多糖开发的光热气凝胶微球首次实现了太阳能界面水蒸发、水体中富营养盐吸附和营养元素缓释等方面的应用。具体的优点可以总结为：（1）可连续制备形状可控的凝胶球：季铵盐改性的微晶纤维素与质子化壳聚糖结合形成具有pH响应的复合凝胶，能够在碱性条件下实现快速凝胶化；（2）高效的太阳能界面水蒸发：复合气凝胶微球与3D打印聚乳酸框架形成的可漂浮三维界面蒸发器能够协同管理浮力、水的扩散、热分布和热损失，在1个太阳下，水的蒸发速率达1.62 kg m−2 h−1；（3）高效吸附水体中的磷元素：引入改性形成的阳离子纤维素使复合微球在较宽的pH值（2.5–12.4）和较大范围磷酸盐离子浓度（200–1000 mg/L）内能获得超过120 mg g−1的阴离子吸附量；（4）生物降解、营养物向土壤的缓释和种植测试：含磷复合微球可通过土壤中的微生物逐步降解，主要养分（N、P和K）可在50天内均匀缓慢释放到生长培养基中，提供植物生长所需的基本营养成分。该研究成果包括了协同水净化、废物处理和增值转化的三重功能，实现了“蒸发−吸附−种植”一体化，为太阳能界面蒸发的光热气凝胶微球的制备和应用提供了新的前景。该工作以“Photothermal Aerogel Beads Based on Polysaccharides: Controlled Fabrication and Hybrid Applications in Solar-Powered Interfacial Evaporation, Water Remediation and Soil Enrichment”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。
复合气凝胶微球与3D打印聚乳酸框架形成的可漂浮三维界面蒸发器（SG2）能够在1个太阳光下的蒸发速率为1.62 kg m−2 h−1，显著高于纯水和直接接触水面的气凝胶球（SG1）的水体蒸发速率（0.76 kg m−2 h−1），并且能够进行长期稳定的蒸发。此外，在各种环境（不同pH和盐度）中该蒸发器件也能实现高效稳定蒸发。
复合气凝胶微球能够对模拟的富营养化水体中的磷酸盐进行有效吸附。由于改性纤维素的引入，使该微球拥有更多的化学和物理吸附位点，能够在各种实际环境（较宽pH范围以及各种温度）下保持高效稳定的磷元素吸附，改善了以往报道的工作中只能在酸性和中性条件下高效磷元素吸附的缺陷。此外，吸附动力学和等温线曲线更拟合于准一阶动力学模型和Langmuir方程，说明该吸附过程以化学吸附为主。
在潮湿的土壤中，饱和吸附后的复合气凝胶微球可以在7天内发生明显的降解，在50天内缓释N，P和K元素。种植结果发现，使用吸附磷酸盐后的气凝胶微球作为缓释肥料种植的三叶草的长势最好，明显优于空白实验和水溶性肥料的种植效果，说明营养物缓释对于植物生长的促进作用。
在过去的两年中，课题组围绕界面光热转换材料和器件开展了一系列研究：通过可控发泡技术制备低成本和大面积复合泡沫材料用于太阳能界面蒸发和清洁水的生产（Chemical Engineering Journal 2022, 431, 134144; Solar RRL 2022, 8, 2200241; Journal of Materials Chemistry A 2021, 9, 9692.）；制备具有自修复和耐损伤的水凝胶用于高效太阳能水净化和海水淡化（Advanced Functional Materials 2021, 31, 2104464），设计全纤维素一体式太阳能界面蒸发器用于海水淡化和自供电波浪检测（Advanced Functional Materials 2021, 31, 2008681）；“不倒翁”抗倾覆太阳能界面蒸发器设计（Journal of Materials Chemistry A 2020, 8, 24664; Advanced Sustainable Systems, 2022, 6, 2200256）；利用海洋生物质复合材料实现高效持久的太阳能驱动界面蒸发、海水淡化和大气水收集（Chemical Engineering Journal, 2021, 417, 128051; Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10, 18170; Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10, 8556）；基于界面光热转换的水电联产器件设计（Journal of Materials Chemistry A 2022, 9, 21197）。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.2c16634
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