蒸发材料丨天津大学/盐城师范学院AFM论文丨微晶纤维素介导的互穿网络：协同水传输与活化实现高效太阳能驱动界面蒸发

2026年3月，国际期刊《Advanced Functional Materials》发表了天津大学/盐城师范学院题为《Microcrystal Cellulose-Mediated Interpenetrating Networks toward Synergistic Water Transport and Activation for High-Efficiency Solar-Driven Interfacial Evaporation》的研究性论文。本文提出一种“分级支撑”策略，以刚性微晶纤维素（MCC）为骨架介导柔性海藻酸钠-Ca²⁺（SA-Ca²⁺）网络，构建有序分级多孔水凝胶蒸发器。该设计以MCC纳米晶体穿插于SA-Ca²⁺网络中，形成互连层状多孔通道，协同实现水传输动力学加速与中间水（IW）比例提升；优化后的RHB@MS-25在1个太阳辐照下蒸发速率达3.07 kg m⁻² h⁻¹，光汽转换效率94.8%，对海水、高盐卤水、极端pH废水及含重金属/染料废水净化效率近100%。《Advanced Functional Materials》是Wiley旗下期刊，该期刊2025-2026最新影响因子为19.9，主要刊登材料科学领域（包括功能材料的设计、合成、表征及其在能源、环境、生物医学等方面的应用）的高水平研究成果，属于中科院材料科学1区TOP期刊。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.75251

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太阳能驱动界面蒸发（SDIE）是一种有前景的海水淡化和水净化技术，其核心性能主要取决于水传输与活化。生物质衍生水凝胶（BDHs）因其优异的亲水性和可调控网络而成为有吸引力的候选材料。然而，设计同时具备超快水传输和高效中间水（IW）活化的BDHs仍具挑战性。在此，我们提出一种“分级支撑”策略，以刚性微晶纤维素（MCC）为骨架介导柔性海藻酸钠-Ca²⁺（SA-Ca²⁺）网络，构建有序分级多孔水凝胶。该分级通道结构实现了低阻力水通路、可调控的水状态和优化的界面相互作用，从而显著提高IW比例。优化后的RHB@MS-25在1 sun照射下蒸发速率高达3.07 kg m⁻² h⁻¹，太阳能-蒸汽效率为94.8%。值得注意的是，它对海水、高盐卤水、极端pH废水、重金属离子溶液（Fe³⁺、Cu²⁺、Cr⁶⁺、Co²⁺、Ni²⁺）和有机染料（罗丹明B、甲基橙、亚甲基蓝）表现出优异的稳定性和净化效率（~100%）。本研究建立了互穿分级网络，阐明了增强水传输与活化的机制，并实现了天然生物质和农业废弃物的高值化转化，为推进多场景水净化技术提供了一种简便、经济且可持续的范式。

高性能太阳能驱动界面蒸发（SDIE）要求生物质衍生水凝胶（BDHs）同时调控水-聚合物相互作用，从而实现水快速传输至蒸发界面，并将高焓体相水转化为易蒸发的中间水（IW）。水凝胶的连续水蒸发在快速蒸发过程中受限于水传输动力学不足，凸显了增强基质内水传输以维持高蒸发性能的紧迫性。为加速水传输过程，已开发多种策略，如构建仿生各向异性或Janus结构，以及调控聚合物交联密度以优化孔连通性，引导定向水流。在水状态调控方面，引入亲水官能团或设计分级互穿聚合物网络以调控水团簇环境，已被证明可有效提高IW比例并降低蒸发焓。然而，无序或连通性差的网络会导致迂曲、高阻力的水传输路径，并在蒸发过程中因盐分积累或结构坍塌而失效。现有制备有序孔结构的方法（如冰模板法、定向冷冻干燥[27]和自组装模板法）通常涉及复杂工艺和苛刻条件，与生物质材料的温和加工特性不兼容。因此，在BDH基质中构建长程有序、高度互连且能协同促进水快速传输与活化的孔结构，仍是一项艰巨挑战。

本研究针对太阳能驱动界面蒸发（SDIE）中生物质水凝胶水输运与中间水活化不足的问题，提出“分级支撑”策略：以微晶纤维素（MCC）为骨架介导海藻酸钠-Ca²⁺（SA-Ca²⁺）柔性网络，构建有序分级多孔水凝胶，并结合稻壳生物炭（RHB）光热层制得RHB@MS系列蒸发器。其中RHB@MS-25在1个太阳辐照下蒸发速率达3.07 kg m⁻² h⁻¹，光汽转换效率为94.8%，兼具优异的机械性能、耐盐性及环境耐受性，对海水、高盐卤水、极端pH废水、重金属离子及有机染料废水的净化效率接近100%。本研究阐明了分级网络协同调控水输运与活化的机制，为多场景水净化技术提供了经济、可持续的新范式。

该思维导图转自气凝前沿，侵删

微晶纤维素（MCC）是一种刚性天然纤维素衍生纳米晶体，广泛用作聚合物增强相，凭借其优异的机械强度、丰富的表面羟基、出色的亲水性和水性自组装能力，为克服上述挑战提供了新机遇。在此，提出一种“分级支撑”设计策略，以MCC纳米晶体作为纳米骨架穿插于海藻酸钠-Ca²⁺（SA-Ca²⁺）网络中，构建有序分级结构水凝胶，如图1a所示。该设计巧妙地实现了水传输与活化的协同调控：首先，MCC介导的互连多孔结构加速了水传输动力学，确保向蒸发界面快速、连续地供水；其次，有序网络内致密的极性基团（-OH、-COO⁻）与受限水分子形成动态氢键相互作用，其规则分布显著提高了IW比例并降低了蒸发能垒。

将0.2 g 生物质废弃物衍生稻壳生物炭（RHB）和0.3 g SA充分研磨，随后加入微晶纤维素MCC并混合均匀，SA:MCC质量比分别为1:0、3:1和1:1（对应MCC占SA与MCC总质量的0、25和50 wt.%）。随后加入25 mL去离子水，研磨形成悬浮液。将悬浮液在60 ℃下搅拌蒸发水分，直至浆料体积达到20 mL。将浆料倒入烧杯，用液氮冷冻10 min，然后冷冻干燥12 h，得到三种不同MCC质量分数的水凝胶前驱体。最后，将前驱体浸入10 wt.% CaCl₂溶液中离子交联4 h，制得三种水凝胶，分别命名为RHB@MS-0、RHB@MS-25和RHB@MS-50。

图1 用于高效太阳能驱动界面蒸发（SDIE）的分级网络的示意图与结构表征。（a）MCC介导的“分级支撑”结构，用于调控水传输与活化。RHB@MS-0（b–d）和RHB@MS-25（e–g）的SEM图像及网络结构。

分级网络赋予水凝胶优异的机械稳定性，使其能够抵抗机械变形（扭转、拉伸、压缩、折叠），同时保持良好的柔韧性。

图2（a）RHB@MS-25水凝胶在扭转、拉伸、压缩、折叠等机械变形下的数码照片。（b）RHB@MS水凝胶的应力-应变曲线及（c）储能模量（G'）的动态力学分析。（e）RHB@MS-25的水接触角。（d）RHB@MS水凝胶的含水量与传输速率。RHB@MS-0（f）和RHB@MS-25（g）在20秒内于白色纤维素纸上的水抽运分布。

RHB@MS-25表现出宽带吸收（200–2500 nm），平均吸收率达97%，优于RHB@MS-0（91%）和RHB@MS-50（92%）。RHB@MS-25优异的吸收性能归因于入射光在有序网络和多孔通道内的多次反射与折射。

图3（a）RHB@MS-25的紫外-可见-近红外吸收光谱。插图为光学照片。（b）干态和湿态RHB@MS水凝胶在1 sun（100 mW cm⁻²）照射下的红外热图像及相应的表面温度变化（c）。（d）RHB@MS水凝胶相对温度分布的二维纵截面稳态模拟。

COMSOL和MD模拟证实，有序分级网络优化了传质并增强了水分子逃逸。

图4（a）RHB@MS水凝胶相对水传输的二维纵截面稳态模拟。（b）分子动力学模拟中，RHB@MS-0和RHB@MS-25界面在0、50和250 ps时水分子的时间依赖性动态行为及界面聚集状态。（c）RHB@MS-0和RHB@MS-25中水分子的MSD斜率。（d）RHB@MS-0和（e）RHB@MS-25中水传输与活化过程（自由水（FW）、中间水（IW）和结合水（BW））的可能机制。

图5（a）纯水及RHB@MS水凝胶中水的暗蒸发速率与蒸发焓。（b）RHB@MS水凝胶中IW与FW的比例。（c）纯水和RHB@MS系列水凝胶在1 sun照射下温度与质量随时间的变化。（d）太阳能蒸汽生成示意图。（e）与已报道废弃生物质衍生蒸发器的水蒸发速率对比。（f）RHB@MS水凝胶在不同盐度溶液中的蒸发速率（1 sun照射）。插图为5 g盐颗粒在RHB@MS-25表面溶解的照片。（g）淡水产出速率及户外蒸发实验条件：光照强度和RHB@MS-25的表面温度。（h）户外太阳能海水淡化收集装置照片。（i）海水淡化前后Na⁺、Mg²⁺、K⁺和Ca²⁺的浓度。虚线表示WHO和EPA的饮用水标准。

RHB@MS-25对海水、高盐卤水、极端pH废水、重金属离子及有机染料废水的净化效率接近100%。

图6（a）在1 sun照射下，酸/碱溶液中1小时水净化的质量变化曲线。（b）pH试纸与标准pH比色卡对比：酸/碱废水净化前后。RHB@MS-25对不同有机染料的净化性能：（c）MB、（d）MO、（e）RhB。（f）含重金属水净化前后的对比照片。（g）使用RHB@MS-25水凝胶蒸发器在1 sun照射下有机染料和重金属离子的质量变化曲线。

总之，本研究提出了一种“分级支撑”策略，用于构建MCC介导的互穿分级水凝胶，以实现高效太阳能驱动界面蒸发（SDIE）。MCC介导的SA-Ca²⁺基质形成互连的层状多孔通道，协同优化了水传输动力学与活化过程。最优样品RHB@MS-25在实际应用中展现出三大关键优势：（1）优异的结构性能与理化性质，包括高压缩强度（570 kPa）、出色的水饱和容量（132.1 g g⁻¹）、较高的IW/FW比（1.77）和低蒸发焓（1068 J g⁻¹）；（2）高效的光热转换，在1 sun照射下太阳能-蒸汽效率达94.8%，蒸发速率达3.07 kg m⁻² h⁻¹，优于大多数已报道的废弃生物质衍生蒸发器；（3）多功能水净化能力，在海水、高浓度卤水、酸性/碱性废液以及含有机染料（MB、MO、RhB）或重金属离子（Fe³⁺、Cu²⁺、Cr⁶⁺、Co²⁺、Ni²⁺）的废水中均保持稳定的蒸发性能，污染物去除效率约100%。本研究阐明了水凝胶微观形貌与SDIE性能之间的内在关联，为兼具高效水传输、机械稳定性和环境耐受性的水凝胶蒸发器提供了新的设计范式。通过实现天然生物质和农业废弃物的高值化利用，本研究为解决全球水资源短缺问题开辟了经济、可持续且可规模化的水净化技术发展路径。

Z.-H. Huang, S.-X. Sun, L.-Z. Lv, et al. Microcrystal Cellulose-Mediated Interpenetrating Networks toward Synergistic Water Transport and Activation for High-Efficiency Solar-Driven Interfacial Evaporation. Advanced Functional Materials2026, 36(45): e75251. https://doi.org/10.1002/adfm.75251

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整理：阳光净水

编辑：环境与能源功能材料

阳光净水课题组主要长期致力于生物质（壳聚糖、纤维素等）可再生资源在水污染控制、太阳能界面蒸发及环境催化等领域的基础与应用研究。

课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

壳聚糖丨纤维素丨MOF材料丨石墨烯丨碳纳米管丨MXenes丨硫化钼丨催化材料丨蒸发材料丨吸附材料丨电极材料丨除磷材料丨产氢材料

2026年8月，国际期刊《Chemical Engineering Journal》在线发表了阳光净水课题组题为“Achieving ultrahigh water evaporation using g-C₃N₄/MoS₂/chitosan hydrogel@nickel foam evaporator with low enthalpy and optimized scallion-like structure”的研究论文。该研究以镍泡沫（NF）为刚性骨架，水热制备g-C₃N₄/MoS₂异质结光热材料，结合壳聚糖（CS）交联成型，仿葱茎多层卷曲结构构筑3D CMC@NF蒸发器。在标准光照条件下，该蒸发器的蒸发速率达6.17 kg·m⁻²·h⁻¹，户外全天产水量为74.54 kg·m⁻²。《Chemical Engineering Journal》致力于发表涵盖化学工程各领域的高质量、原创性研究成果，当前为中科院一区TOP期刊，2026最新影响因子为12.5。

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2025年9月，国际TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的综述性论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述多功能和可持续壳聚糖基界面蒸发材料在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本文总结了壳聚糖基太阳能界面蒸发器（CS-SIE）四种类型（水凝胶、气凝胶、海绵和膜）、五种改性材料和在水污染控制中应用。最后，总结了CS-SIEs在际应用中仍面临挑战。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，最新中科院分区：8.50/二区TOP期刊。

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