芦苇启发出一篇《ACS Nano》

洁净的淡水对于经济发展和公共卫生来说都是非常重要的，但目前全球仍然有三分之一的人口无法获取充足的淡水资源。从这个角度来说，发展高效水处理技术以缓解淡水危机可以说是非常紧迫的任务。

众多研究认为，海水脱盐（Desalination）被认为是满足水处理需求、缓解淡水危机的重要策略之一。为了实现高效海水脱盐，人们开发了正/反渗透、膜精馏和纳米过滤等技术。然而，海水脱盐所需的蒸发装置在运行过程中会发生盐结晶在表面的逐步沉积，长年累月下来会严重影响装置的蒸发速率。

针对这一问题，武汉大学邓红兵和东华大学丁彬等人受到芦苇叶维管组织结构、蒸腾/防污功能的启发，设计了仿生分级纳米纤维气凝胶（R-NFAs）。研究显示，可折叠的维管壁和柔性二氧化硅纳米纤维赋予了该气凝胶优异的力学性能，使其能够承受重复的压缩形变。R-NFAs的光吸收效率可达94.8%，并且具有与芦苇叶相似的蒸发速率（一个太阳光下达1.25 kg m−2 h−1）。不仅如此，R-NFAs可在高浓度海水中稳定工作，为耐盐型太阳能海水脱盐器件的设计提供了思路。相关工作以“Reed Leaves Inspired Silica Nanofibrous Aerogels with Parallel-Arranged Vessels for Salt-Resistant Solar Desalination”为题发表在ACS Nano。

一、R-NFAs的制备及其分级结构

在这项工作中，作者明确了仿生结构的设计原则：首先，必须建立平行排列的维管系统以提升器件的力学性能和水分子输运，为此作者利用柔性静电纺丝二氧化硅纳米纤维作为构建单元，在淀粉链接作用下可形成平行排列的单片气凝胶；其次，R-NFAs需要拥有优异的光吸收特性，为此作者利用吡咯单体在气凝胶表面进行氧化和聚合以形成聚吡咯；最后，为了改善蒸发装置的表面性质，研究还使用甲基三甲氧基硅烷改性气凝胶表面，以保证器件具有优异的耐盐性（图1a）。在SEM成像中，可以发现R-NFAs的结构与芦苇叶相似，均拥有三层结构特征：150-200微米左右的维管，25-50微米的管壁以及狼牙棒状的纳米纤维（图1b-d）。作者解释了这一结构的形成过程：低温冷冻使二氧化硅挤入逐渐长大的冰晶间隙中，而随后的冷干过程则时冰晶升华形成维管结构，同时二氧化硅纤维在淀粉的连接下充当了管壁的作用，而在最后，吡咯的聚合则在二氧化硅纤维表面形成了聚吡咯颗粒，最终形成了分层的气凝胶结构。

图1 R-NFAs的制备和结构表征

二、R-NFAs的力学和光热性能

由于R-NFAs气凝胶具有平行排列的结构特征，其展现出了十分优秀的力学性能。由于硅氧键的角度和氧化硅四面体的键长可以在一定范围内进行改变，因此气凝胶表现出了一定的可折叠性，即有载荷时维管可以弯曲折叠，无载荷时管壁又能恢复到原本的形态。在经过500次压缩循环后，气凝胶还能保持完整，塑性形变只有20%左右。此外，作者还研究了对于蒸发来说至关重要的光热性能。随着吡咯浓度的增加，R-NFAs的平均光吸收可达到94.8%（图2a）。当被太阳光辐照时，R-NFAs可在1分钟内迅速升温到65摄氏度，展现出了良好的光热性能（图2b）。

图2 R-NFAs的光吸收特性及光热性能

三、耐盐性和太阳能海水脱盐

如图3所示，R-NFAs展现出了更快的质量变化，表明其具有更佳的蒸发效果。20-25分钟内，当光热转换效率达到72%时，R-NFAs的最大蒸发速率可达到1.25 kg m−2 h−1，相比之下，纯水的蒸发速率只有0.48 kg m−2 h−1。此外，蒸发装置的表面疏水性是耐盐性的关键参数。与芦苇叶相似，R-NFAs上表面的水接触角可达135度，而底部的接触角则在0度左右。这使得盐结晶选择性地在器件底部发生，而不会影响器件表面的光吸收能力，因此蒸发装置可在不同浓度的盐水中保持稳定的蒸发速率。

图3 R-NFAs的蒸发表现

结论：这项工作构建了一种二氧化硅纳米纤维气凝胶蒸发装置，可以模仿芦苇叶中平行排列的维管组织和疏水表面，实现在高强度光照下、高浓度海水中的优异耐盐性能。凭借这一仿生结构的优势，R-NFAs即使在饱和盐水（26.3%）中也不会出现性能衰退的现象。作者期望这一芦苇叶仿生的分级细胞结构设计可以为海水脱盐、水处理和太阳能收集等研究领域带来新的思路。

来源： 高分子科学前沿