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新材料：新型纖維素基太陽能光熱轉化材料
水資源短缺是重要的全球性問題之一。近年來，太陽能輻射驅動的海水淡化新方法備受關注。中國科學院青島生物能源與過程研究所研究員崔球帶領的代謝物組學研究組，在前期對紙漿泡沫材料研發的基礎上，通過天然橡膠的協同增強和泡沫表面碳化，開發出高穩定性、低成本、且易于規模化制備的新型纖維素基太陽能光熱轉化材料。
紙漿泡沫是廉價、環保的新型多孔材料。它以紙漿纖維為原料，利用表面活性劑在紙漿纖維分散液中常溫常壓空氣發泡，同時，泡沫可阻止纖維液相絮聚以及干燥坍縮，從而形成均勻的多孔結構，濾水干燥后制得泡沫材料。科研人員前期借助硼離子交聯和引入適量天然聚合物，開發出可實現功能性定制化加工的新型紙漿泡沫材料（Chem. Eng. J., 2019, 371, 34-42；Carbohydr. Polym., 2022, 278, 118963），在新型綠色包裝、建筑、保溫隔熱和吸音等領域頗具應用前景。
為了進一步提高紙漿泡沫材料的抗水性，研究人員引入天然橡膠作為交聯劑，采用簡易的表面碳化工藝賦予碳化后的紙漿泡沫材料（CPNR）優異的光熱轉化效果。CPNR由頂部的光熱轉換層及下部的紙漿泡沫層組成，無需界面粘合或改性處理。頂部光熱轉換層具有優異的光吸收能力（93.2%），可以吸收入射的太陽光并通過光熱轉換作用將其轉化為熱量，從而驅動水分蒸發。下部的紙漿泡沫層可以將水分由底部傳導運輸至頂部光熱轉換層。同時，CPNR的多孔結構、低導熱性（0.1 W mK-1）和豐富的羥基結構，使其具有優異的隔熱和吸水性能（9.9 g g-1）。本研究制備的CPNR在模擬太陽光照強度下，水蒸發速率和效率分別達到1.6 kg m-2 h-1和98.1%。此外，CPNR具有優異的鹽分自清潔與防止鹽分累積的性能，并采用來源廣泛的纖維素及簡單的表面碳化工藝，使其成本效益顯著優于現有的光熱轉化材料。模擬實驗證實，新型纖維素基光熱轉化材料可用作水蒸發器，并有望用于海水淡化、鹽/金屬離子濃縮和污水處理等領域。
近日，相關研究成果發表在《美國化學會-應用材料與界面》（ACS Appl. Mater. Inter）上。研究工作得到國家自然科學基金、山東省自然科學杰出青年基金、山東能源研究院和青島市等的支持。該工作由青島能源所和加拿大湖首大學共同完成。
責任編輯：第一時間
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