[发明专利]一种具有Janus特性的复合气凝胶及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种具有Janus特性的复合气凝胶，包括复合气凝胶本体，所述复合气凝胶本体包括具有疏水性的上层和具有亲水性的下层，上层为硅烷改性的纤维素纳米纤丝/Ti₃C₂T_x MXene气凝胶，下层为纤维素纳米纤丝气凝胶，上层和下层的交界处通过化学交联作用联结为整体，所述复合气凝胶本体内开设有若干通孔，所述通孔一体贯穿所述复合气凝胶本体的上层和下层。复合气凝胶上部疏水下部亲水的Janus特性，使其可以独立地、稳定地漂浮于空气‑水界面处，其下半部分充分吸水并浸于水中，上半部分保持干燥暴露于空气中，而且由于复合气凝胶的上下层通过化学作用联结在一起，其间没有缝隙，避免了热量通过缝隙向外界耗散，进而上层的热量可以高效地用于水蒸发。

【技术领域】

本发明涉及气凝胶材料的技术领域，特别是一种具有Janus特性的复合气凝胶的技术领域。

【背景技术】

从缓解能源危机和环境问题的角度来看，利用太阳能的光热转换驱动水快速蒸发是一种很有前景的淡水供应技术。而太阳能直接作用于水体的蒸发效率一般仅有30-45％。为实现更高的太阳能利用率，科研人员不断创新太阳能光热转换技术，目前新型的界面蒸发系统由于其较高的蒸发效率而备受关注。

界面蒸发系统中光热材料位于水体表面，太阳能转换生成的热量可以被局限于空气-水界面处直接用于表面水的蒸发，进而限制了热量向水体的传递，使蒸发效率显著提高。一般光热材料只具有单一润湿性，在界面蒸发应用中，疏水性的材料需辅以水传输部件，而亲水性的材料随使用时间推移其上表面会位于水面以下进而减弱光吸收能力，水蒸发逐渐不稳定。为了使光热材料稳定地处于空气-水界面处，并实现良好的热管理与水传递，界面蒸发系统多由几个部件共同构成，包括光热转换部件，支撑隔热部件和水传递部件等。

Zhan等(ACS Appl.Nano Mater.2020,3,5,4690–4698)设计了一种双层结构的界面光热蒸发系统，其中碳纳米管气凝胶位于下层作为隔热层，C/SiO₂/Au气凝胶位于上层作为光吸收层，两层间有羊毛毡用于水传递，该系统在一个标准太阳光照(1000W/m²)下的水蒸发速率为1.32kg m^-2h^-1，蒸发效率为79.6％。专利CN110183572A公开了一种气凝胶、制备方法及其用作太阳能蒸发器的应用，所述气凝胶由聚丙烯酰胺气凝胶作为水供给层和聚丙烯酰胺-碳纳米管气凝胶作为光吸收层，该气凝胶的双层结构由两个独立的气凝胶组合而成，并且在用作太阳能蒸发器的应用中，需要额外的塑料泡沫来固定支撑。

为了实现光热材料的自漂浮，拥有Janus特性(即相反润湿性)的光热材料的研发逐渐被关注。Yu等(Research 2020,2020,3241758)通过取向冷却结晶模板法、化学气相沉积以及单侧亲水化修饰方法获得了Janus聚偏氟乙烯薄膜，其在一个标准太阳照射下，水蒸发速率为1.08kg m^-2h^-1。该Janus薄膜并没有实现较高的水蒸发性能可归因于膜材料本身较差的热管理性能。该研究团队进一步将此薄膜与聚氨酯泡沫、吸水纸进行组装后，其水蒸发速率可提升至1.58kg m^-2h^-1。可见，开发集自漂浮、光吸收与转换、热管理以及水传输功能于一体的光热材料用于高效界面水蒸发具有重要意义。

【发明内容】

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出具有Janus特性的复合气凝胶及其制备方法与应用，能够使复合气凝胶可以独立地稳定漂浮于水面，并将其用作独立的太阳能界面蒸发器。