水资源短缺是21世纪最重要的全球性问题之一。联合国报告显示，全球约四分之一的人口无法获得安全的饮用水。近年来，太阳能辐射驱动的海水淡化新方法获得了极大的关注。青岛能源所崔球研究员带领的代谢物组学研究组，在前期对纸浆泡沫材料研发的基础上，通过天然橡胶的协同增强和泡沫表面碳化，开发出一种高稳定性、低成本、且易于规模化制备的新型纤维素基太阳能光热转化材料。

纸浆泡沫是一种廉价、环保的新型多孔材料。它以纸浆纤维为原料，利用表面活性剂在纸浆纤维分散液中常温常压空气发泡，泡沫可阻止纤维液相絮聚以及干燥坍缩，从而形成均匀的多孔结构，滤水干燥后制得泡沫材料。研究人员在前期研究中借助硼离子交联和引入适量天然聚合物，开发出可实现功能性定制化加工的新型纸浆泡沫材料（授权发明专利ZL201910006983.2, ZL201910007105.2; Chem. Eng. J., 2019, 371, 34-42; Carbohydr. Polym., 2022, 278, 118963），在新型绿色包装、建筑、保温隔热和吸音等领域应用前景广阔。

为了进一步提高纸浆泡沫材料的抗水性，研究人员引入天然橡胶作为交联剂，采用简易的表面碳化工艺赋予碳化后的纸浆泡沫材料（CPNR）优异的光热转化效果。CPNR 由顶部的光热转换层及下部的纸浆泡沫层组成，无需界面粘合或改性处理。顶部光热转换层具有优异的光吸收能力（93.2%），可以吸收入射的太阳光并通过光热转换作用将其转化为热量，从而驱动水分蒸发。下部的纸浆泡沫层可以将水分由底部传导运输至顶部光热转换层。而且，CPNR 的多孔结构、低导热性（0.1 W mK^-1）和丰富的羟基结构使其具有优异的隔热和吸水性能（9.9 g g^-1）。本研究制备的CPNR在一个模拟太阳光照强度下，水蒸发速率和效率分别达1.6 kg m^-2 h^-1和98.1%。此外，CPNR还具有优异的盐分自清洁及防止盐分累积的性能，并且采用来源广泛的纤维素及简单的表面碳化工艺，使其成本效益显著优于现有的光热转化材料。模拟实验证实，这种新型纤维素基光热转化材料可用作水蒸发器，有望用于海水淡化、盐/金属离子浓缩和污水处理等领域。

相关研究结果近期发表于ACS Appl. Mater. Inter.（《美国化学会-应用材料与界面》，doi: 10.1021/acsami.2c21260），论文第一作者是联合培养博士研究生的张义栋（芬兰埃博学术大学），通讯作者是青岛能源所的刘超高级工程师、李滨研究员，及加拿大湖首大学的Pedram Fatehi教授。

相关系列研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学杰出青年基金、山东能源研究院和青岛市等项目的大力支持。（文/图 刘超 张义栋）

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c21260

Zhang, Y., Deng, W., Wu, M., Liu, Z., Yu, G., Cui, Q., Liu, C.*, Fatehi, P.*, Li, B.* Robust, scalable, and cost-effective surface carbonized pulp foam for highly efficient solar steam generation. ACS Applied Materials & Interfaces, 2023.

发明专利信息：

　　一种高光热转化效率的木质纤维基泡沫材料及制备和应用，中国，发明专利，CN 202210690228.2；一种高光热转化效率的可降解生物基泡沫材料及制备和应用，中国，发明专利CN 202210690227.8。