专栏名称: 高分子科技

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安农大叶冬冬教授 Nano Lett.：面向可持续农业灌溉的生物质气凝胶系统

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-04-01 11:49

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界面蒸发驱动的水力发电系统通过融合水净化与能量收集功能，为可持续农业灌溉展现了广阔前景。这种技术利用界面蒸发过程同时完成水质改善和能量获取，为应对水资源匮乏及能源需求提供了新颖的解决思路。然而，传统系统在追求高蒸发效率和优异能量收集能力时遭遇明显瓶颈，尤其是在提升蒸发性能和水传输效率方面，限制了其在实际应用中的进一步发展。

针对上述难题，叶冬冬教授团队研发了一种创新的梯度结构气凝胶，巧妙结合纤维素与壳聚糖的特性，成功实现了蒸发、水传输和能量收集的协同优化。该气凝胶底部采用定向纤维素网络，通过微纳米级通道的协同效应，不仅显著提升了水分子和离子的选择性传输能力，还将输出功率提高到 680 nW cm⁻² 。而上层通过碳纳米管与壳聚糖的复合设计，将光热转换效率提升至 91.4% ，蒸发速率达到 2.5 kg m⁻² h⁻¹ ，同时有效降低了蒸发过程中的能耗。这种梯度气凝胶凭借其独特的多功能集成优势，为水净化和能量收集提供了高效路径，也为可持续农业和清洁能源的未来发展开辟了新方向。该研究成果以 “Biomass-Derived Gradient and Aligned Structured Aerogel for Sustainable Agricultural Irrigation” 为题，发表在《 Nano Letters 》期刊上。

【 梯度对齐结构气凝胶 (GA aerogel) 开发】

通过凝胶界面焊接技术和选择性定向冷冻策略，成功制备了具有梯度结构和定向排列的纤维素 / 壳聚糖 @CNTs 复合气凝胶（ GA aerogel ）。该气凝胶呈现独特的三层结构设计：上层是由壳聚糖和 CNTs 构建的光热转换层，其多尺度微纳结构不仅显著增强了光吸收能力，还通过提供丰富的蒸发界面有效提升了蒸发速率，同时优化了热损失与光利用效率之间的平衡；中间层为 AC 和 CS@CNTs 的互穿网络界面，这一结构设计确保了材料在运行中的长期稳定性；下层则是由取向纤维素（ AC ）构成的输水功能层，其垂直排列的微通道和纳米级离子通道协同作用，既实现了水分的高效输运，又具备选择性离子传输和抗盐沉积的特性。

图 1. 梯度对齐结构气凝胶制备与结构表征

【壳聚糖与水相互作用的机制研究】

团队通过拉曼光谱表征，探究了壳聚糖与水的相互作用对蒸发性能的影响。研究发现，与壳聚糖网络作用的水分为自由水（ 3200–3400 cm⁻¹ ）和中间水（ 3400–3600 cm⁻¹ ）两种状态。自由水因强氢键作用， O-H 振动频率较低；中间水氢键较弱，可以通过水团簇形式蒸发，降低蒸发能垒。对比湿壳聚糖材料和纯水的蒸发热流，纯水在 80.2℃ 时热流达 7.41 mW/mg 后骤降，而湿壳聚糖在 50.1℃ 时热流达 2.81 mW/mg 后逐渐下降，表明湿壳聚糖蒸发需要较少的能量。蒸发能测试显示，纯水的蒸发能为 2.45 ± 0.02 kJ/g ，显著高于湿壳聚糖的 1.33 ± 0.06 kJ/g ，证实壳聚糖的加入可降低水的蒸发能耗。分子动力学模拟进一步表明，含壳聚糖体系中氢键减少，蒸发能降低，验证了壳聚糖在光热层中降低蒸发能耗的作用。

图 2. 壳聚糖与水相互作用的机制研究

【梯度对齐结构气凝胶蒸发性能】

团队系统研究了 GA 气凝胶的光热转换与蒸发性能。通过控制光热层厚度实验发现，气凝胶的太阳能吸收率呈现先升高后稳定的变化趋势：在 1 个太阳光照强度下（ 1kW m⁻² ）， 0.8 mm 厚度样品的吸收率达到 95.6% ，显著优于 0.3 mm 厚度样品的 92.6% 。红外热成像分析证实，不同厚度的 GA 气凝胶均能在 15 分钟内完成高效的光热转换，表面温度快速上升并维持稳定状态。蒸发性能测试结果显示， 0.8 mm 厚度的 GA 气凝胶表现出最优异的蒸发性能，其蒸发速率可达 2.5 kg m⁻² h⁻¹ ，这一结果验证了光热层厚度对蒸发效率的重要调控作用。值得注意的是， GA 气凝胶相较于其他对照组展现出更为出色的蒸发性能，这主要归因于壳聚糖与纤维素在梯度结构中的不对称组合和垂直取向结构所实现的协同效应。

图 3. 梯度对齐结构气凝胶蒸发性能及机制研究

【梯度对齐结构气凝胶集成与应用】

团队系统研究了 GA 气凝胶发电及应用特性。在自然环境（ 290.1K ， 60% 相对湿度）下，其蒸发时开路电压（ Voc ）为 0.3V ，模拟太阳辐射（ 1kW m⁻² ）时升至 0.39 V 。阵列设计可提升性能， 10 个气凝胶串联电压达 3.63 V ，足以点亮 LED 灯泡、为计算器供电；并联时总电流呈准线性增加，理论上串并联多个单元能按需获取更高电压和电流。自然太阳照射下， GA 气凝胶持续发电并产生水蒸气。为验证扩展性，设计大规模户外水电联产系统，系统利用气凝胶发电为电容充电，驱动水泵用蒸发得到的纯净水灌溉植物，展现出 GA 气凝胶在农业灌溉应用中的巨大潜力，其结构设计有效优化了发电及水转化过程。

图 4. 梯度对齐结构气凝胶的集成与应用研究

该研究团队借助凝胶界面焊接技术和选择性定向冷冻策略，实现对材料内部结构的精准构筑。通过对制备过程的精细调控，促使材料内部形成独特的分层结构。实验与模拟共同验证，该独特结构赋予 GA 气凝胶优异性能，太阳能吸收率高达 91.4% ，蒸发速率达 2.5 kg m⁻² h⁻¹ ，功率输出为 680 nW cm⁻² ，且能稳定运行超 120 h 。同时，其结构优势使发电及水转化效率大幅提升。研究为海水淡化、能源收集以及农业灌溉等领域提供了极具潜力的创新方案，有望推动相关行业的技术革新。

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论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00520

课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/ydd