20260813具有竞争性氢键的热缓冲纤维素气凝胶：用于高效太阳能海水淡化的双重焓协同效应

本期分享发表Chemical Engineering Journal杂志上题目为Thermal-buffering cellulose aerogels with competitive hydrogen bonding: Dual-enthalpy synergy for efficient solar desalination的研究文章。

Part 1 文章简介

开发高蒸发速率的界面蒸发器对于缓解全球淡水短缺至关重要。其核心挑战在于如何在间歇性太阳辐射下，同时降低蒸发焓并保持蒸发过程的稳定性。本研究基于“双重焓驱动”理念，通过将相变微胶囊（PCM）引入纤维素纳米纤维（CNF）/聚乙烯醇（PVA）基体中，设计了一种具有低蒸发焓特性的热缓冲气凝胶（MPPC）。PCM的壳层破坏了MPPC内部水团簇原有的氢键网络，迫使高度有序的水团簇与TiO2及基体形成竞争性氢键，从而显著降低了蒸发焓。这种被活化的水处于亚稳态，易受能量波动影响而弛豫回基态；因此，利用PCM的相变焓增强热缓冲效应，既能维持水分子处于活化态所需的能量，又能协同提升蒸发效率。在双重焓驱动机制下，该材料在1个太阳光照强度下的表观蒸发效率高达171%，且在光照和黑暗条件下分别实现了3.88 kg m⁻² h⁻¹和1.65 kg m⁻² h⁻¹的高蒸发速率。这种双重焓驱动理念为设计耐用且具有高表观蒸发效率的界面蒸发器提供了一种新途径。

‍Part 2 主要图表

图1是热缓冲纤维素气凝胶制备工艺及双重焓驱动概念的示意图。

图2是(a) PCM 制备工艺及原理示意图。(b) PCM 的 DSC 曲线、(c) SEM 图像、(d) Ti 2p 和 (e) O 1s 的高分辨率 XPS 谱图以及 (f) FTIR 谱图。(g) MPPC B 层的 SEM 图像。(h) 紫外-可见-近红外（UV–vis-NIR）吸收曲线。(i) MPPC 的工作原理示意图。

图3是(a) 表面温度变化曲线，(b) 显示温度分布的红外热成像图，(c) 水体质量变化曲线，以及 (d) 1个太阳光照下本体水的蒸发速率（蓝色区域和卡通月亮符号表示黑暗条件）。(e) 经1个太阳光照后，本体水在不同黑暗时段内的蒸发速率。(f) 水体质量变化曲线，以及 (g) 不同太阳光强度下3.5 wt% NaCl水溶液的蒸发速率。(h) 经1个太阳光照后，3.5 wt% NaCl水溶液在不同黑暗时段内的蒸发速率。

图4是(a) MPPC 中水分子类型的示意图。(b) 水分子与不同物质的结合能。(c) 本体水与 MPPC-2 的 IW（中间态水）和 FW（自由水）含量。(d) 本体水和 (e) MPPC 在水分蒸发过程中的分子动力学（MD）模拟。(f) 本体水和 MPPC 中水分子间的氢键数量。(g) 本体水和 MPPC 的 DSC 曲线及 (h) 蒸发焓。

图5是(a) MPPC-2 耐盐性能的实物照片。(b) 在 1 kW m⁻² 光照强度下，经历 10 次光照开启/关闭循环过程中的蒸发速率。(c) 户外蒸发装置的实物照片及 (d) 示意图。(e) 太阳光强度与环境温度曲线，以及 (f) 2025 年 11 月 14 日（晴天）蒸发速率的变化情况。(g) 太阳光强度与环境温度曲线，以及 (h) 2025 年 11 月 15 日（阴天）蒸发速率的变化情况。(i) 脱盐前后的离子浓度变化。(j) 绿豆在盐水（左）、冷凝水（中）和地下水（右）中生长情况的照片。(k) 利用脱盐水进行植物培育的示意图。(l) 染料污染水体在净化前后的紫外-可见吸收光谱（插图为相应的实物照片）。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.180218

引用：Lu, Mengqi, et al. "Thermal-buffering cellulose aerogels with competitive hydrogen bonding: Dual-enthalpy synergy for efficient solar desalination." Chemical Engineering Journal (2026): 180218.

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