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  伴隨人類社會高速發(fā)展，淡水資源短缺逐漸成為全球性問題。海水作為地球上最大體量水資源，被認為是最具潛力的淡水潛在來源。然而，傳統(tǒng)的海水淡化設備體積龐大、能耗高且難以適應不同場景需求。太陽能驅動的水蒸發(fā)器憑借其小型化優(yōu)勢，有望發(fā)展為一種適應性強的海水淡化技術。界面太陽能驅動蒸發(fā)（ISDE）技術通過光熱界面局部熱能產生溫度梯度，從而實現(xiàn)持續(xù)高效水蒸發(fā)。在此過程中，水傳輸帶動離子運動和電荷分離而產生電勢，實現(xiàn)水伏發(fā)電。水伏發(fā)電機（HVG）在海水淡化和電能生產方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，現(xiàn)有HVG 技術受限于材料的單一潤濕性，難以同步實現(xiàn)高蒸發(fā)效率和高鹽阻效應，且其發(fā)電性能高度依賴環(huán)境光照條件，這嚴重制約了其應用推廣。

  相關研究以“Photothermal Responsive Aerogel-Hydrogel Binary System for Efficient Water Purification and All-weather Hydrovoltaic Generation”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上，論文第一作者為東華大學碩士生明澤昌，通訊作者為熊佳慶研究員和周欣然副研究員，該工作得到國家自然科學基金等項目資助。

圖1. 全天候高能量輸出SHA-HVG設計與性能

  樹木木質部通過毛細作用和蒸騰拉力實現(xiàn)水分縱向高效運輸，同時內壁孔徑表面富含的負電荷官能團（如-COOH、-OH等），通過靜電吸附作用顯著促進了K?、Ca2?、Mg2?等礦質陽離子養(yǎng)分的吸收與轉運。受此啟發(fā)，作者提出光熱響應氣凝膠與陰離子水凝膠協(xié)同組裝策略，設計了一種可全天候輸水/發(fā)電的氣凝膠-水凝膠二元體系（SHA-HVG）。其中，石墨摻雜的PVDF氣凝膠（G-PVDF）具有高光熱效應和低熱導率，作為光熱活性框架提供垂直熱梯度，實現(xiàn)高效界面太陽能蒸發(fā)（ISDE）。通過自適應真空滲入-原位聚合策略，在G-PVDF孔道中引入磺酸化PNIPAM水凝膠（S-PNIPAM），形成垂直親-疏水梯度：底部親水促進自發(fā)吸水，頂部疏水促進蒸發(fā)并減少熱擴散，模擬植物蒸騰作用實現(xiàn)持續(xù)攝水、輸水和水蒸發(fā)。這種協(xié)同設計使SHA-HVG對模擬海水的凈化效率達到2.75 kg·m?2·h?1，較單一氣凝膠器件（A-HVG）提升300%。同時，磺酸化S-PNIPAM水凝膠可限制水中陰離子遷移、形成高密度雙電層（EDL）和離子濃度梯度，顯著增強離子電流輸出，實現(xiàn)56.86 μW·cm?2的峰值功率密度，較A-HVG提升2669%。器件在黑暗環(huán)境中仍能維持離子傳輸，實現(xiàn)全天候穩(wěn)定發(fā)電（24小時連續(xù)穩(wěn)定電壓與電流輸出）。與現(xiàn)有HVG器件相比，SHA-HVG在蒸發(fā)效率、功率密度、可重復激活性、可回收性和夜間發(fā)電能力方面均表現(xiàn)出優(yōu)越性，且具有成本優(yōu)勢，有望推動高效海水淡化和分布式清潔能源技術發(fā)展，為智能生態(tài)農業(yè)等應用提供新思路（圖1）。

圖2. SHA的制備和表征

  作者提出單向冷凍-低溫相交換-真空滲入-原位聚合的系統(tǒng)化成型策略，有效解決了在疏水氣凝膠孔道中均勻引入水凝膠填料的難題，制備的SHA二元材料具有 G-PVDF 氣凝膠定向孔道結構和自適應填充S-PNIPAM 水凝膠。水凝膠填充有效增加了材料比表面積，提升了材料光吸收效率（84.16%，顯著高于G-PVDF的58.22%和純PVDF的4.91%）；得益于水凝膠對氣凝膠孔道的支撐作用，SHA顯示出增強的壓縮強度（80%應變下407 kPa），較G-PVDF（141 kPa）提升288%，可承受自身重量1600倍的負載；此外，疏水氣凝膠框架可有效保護水凝膠填料免于脫水和脫落，使SHA在極端水流沖刷和溫度循環(huán)刺激下仍保持孔道結構和界面穩(wěn)定性，保障了長期水蒸發(fā)和發(fā)電可靠性（圖2）。

圖3. SHA-HVG太陽能海水淡化和水凈化性能

  G-PVDF 氣凝膠賦予了SHA優(yōu)異的光熱轉換能力和低導熱系數(shù)（0.075 W m^-1 K^-1），在1.0 sun光照下可形成高達43.6 ℃的垂直溫度梯度；S-PNIPAM水凝膠的熱響應潤濕性（高溫疏水、低溫親水）則賦予SHA 垂直方向潤濕性梯度，這種溫度-潤濕性雙梯度耦合效應賦予材料“蒸發(fā)驅動負壓-自主泵水補水-動態(tài)水合平衡”協(xié)同機制，確保持續(xù)吸水、泵水和水蒸發(fā)，實現(xiàn)1.0 sun 光照下 2.75 kg m^-1 h^-1的蒸發(fā)速率。S-PNIPAM水凝膠通過限制陰離子傳輸賦予了SHA-HVG鹽結晶抑制能力，器件在3.5 wt% NaCl溶液（模擬海水）中可穩(wěn)定運行100小時無性能衰減。同時，SHA蒸發(fā)器可將高鹽（10⁵ mg L^-1）水樣凈化至10¹ mg L^-1級（飲用級），并在pH=1-13極端條件下保持較穩(wěn)定蒸發(fā)速率（2.04-2.69 kg·m^-2·h^-1），且能將強酸或強堿溶液中和至pH=6.8±0.3。此外，SHA也可淡化染料、乳酸和尿素等多樣化污染物水樣，展現(xiàn)出在海水淡化、工業(yè)廢水處理和生物醫(yī)學透析等領域的應用可能性(圖3)。

圖4. SHA-HVG水伏發(fā)電機理及性能

  通過在G-PVDF氣凝膠中預置兩個特定間距的銅泡沫電極，經(jīng)S-PNIPAM前驅體真空滲入及原位聚合，可一體化制備SHA-HVG器件。在水分傳輸與蒸發(fā)過程中，具有電負性特征的SHA-HVG吸引相反電荷的離子形成雙電層（EDL）。其中，PVDF框架與磺酸化S-PNIPAM水凝膠共同拓寬了Stern層，有效抑制陰離子遷移并促進陽離子向上傳輸，從而放大上下電極間電勢差。在1.0 sun光照下，SHA-HVG開路電壓（V_OC）穩(wěn)定至312 mV，短路電流（I_SC）達200 μA cm?2，峰值功率密度為56.86 μW·cm?2（負載300 Ω），較單一氣凝膠器件（A-HVG）提升2669%。得益于磺酸基團持續(xù)驅動離子梯度與內部電場的動態(tài)平衡，SHA-HVG在黑暗環(huán)境中仍可維持高效發(fā)電能力（319 mV）。此外，S-PNIPAM還可通過調控水分子狀態(tài)（結合水、中間水、自由水）優(yōu)化蒸發(fā)過程：中間水需較少能量即可蒸發(fā)，提升蒸發(fā)速率；自由水在中間水耗盡時擴散補充，維持離子遷移連續(xù)性。這種協(xié)同工作機制使SHA-HVG在交替光照與黑暗條件下可實現(xiàn)24小時連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電。SHA-HVG還具備再激活性與可回收性，其脫水-吸水再激活后V_OC提升至398 mV，經(jīng)溶解再生后可充分暴露活性組分和基團，進一步提升V_OC至415 mV。這種可循環(huán)/再生特性降低了器件維護成本，結合其高功率密度與全天候發(fā)電能力，該器件在分布式清潔能源領域展現(xiàn)出廣闊應用前景（圖4）。

圖5. 可擴展SHA-HVG陣列用于水上智能農業(yè)系統(tǒng)

  通過串聯(lián)或并聯(lián)多個SHA-HVG單元可構建陣列式發(fā)電體系，顯著提升功率輸出。例如，五個串聯(lián)單元可在1.2秒內將470 μF電容器充電至1.45 V，展現(xiàn)了其作為低功耗電子設備電源的可能性。此外，通過巧妙電路連接設計，SHA-HVG可構建高靈敏光強度檢測平臺和水位監(jiān)測平臺，為自能量環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構建提供了可能。SHA-HVG還展示了構建自維持生態(tài)系統(tǒng)的潛力，實現(xiàn)了一種集水凈化、自灌溉、發(fā)電與自能量傳感監(jiān)測功能于一體的水上溫室系統(tǒng)。其中，SHA-HVG陣列通過界面蒸發(fā)改善溫室內溫濕度環(huán)境，水蒸氣于屋頂冷凝后可自動灌溉土壤，促進植物發(fā)芽和生長；同時，系統(tǒng)可全天候產生電能，持續(xù)驅動農業(yè)傳感器，實現(xiàn)土壤肥度、溫室溫度、濕度和光照的持續(xù)監(jiān)測。這一自維持生態(tài)系統(tǒng)不僅為植物生長自維持和狀態(tài)自監(jiān)測提供了可能性，也為可持續(xù)沿海農業(yè)提供了啟發(fā)性策略，有望推動海洋資源高效利用和智能生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。

  本文通過在疏水光熱氣凝膠中引入潤濕性可調的水凝膠作為第二相，開發(fā)了一種氣凝膠-水凝膠二元活性材料，實現(xiàn)了兼顧高效水淡化和全天候高效發(fā)電的水伏發(fā)電體系。該體系依托獨特的二元材料設計、高化學穩(wěn)定性及高效界面光熱效應，實現(xiàn)了垂直溫度/潤濕性雙梯度耦合與內部電場協(xié)同作用，有效促進水分傳輸并抑制鹽分積累，展示出高達2.75 kg·m?2·h?1的水分蒸發(fā)效率，和長達100小時的穩(wěn)定運行能力。此外，陰離子水凝膠賦予體系離子選擇性分離能力、離子濃度梯度及電勢差放大機制，使其在黑暗環(huán)境中仍可維持56.86 μW·cm?2的高功率輸出�；�再激活特性與循環(huán)再生優(yōu)勢，該材料體系成功實現(xiàn)了能效性與經(jīng)濟性的協(xié)同優(yōu)化，有望為可持續(xù)能源（如分布式電源）、環(huán)境自監(jiān)測、智能沿海農業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)等領域提供創(chuàng)新解決方案，也為極端環(huán)境下自維持生態(tài)系統(tǒng)的構建和發(fā)展提供有效策略。

  文章信息：Z Ming, J Zhang, W Li, S Wang, Y Zhang, Z Lu, T Zhang, Z Zhou, Y Xia, Y Zhang,X Zhou*, J Xiong*, Photothermal-Responsive Aerogel-Hydrogel Binary System for Efficient Water Purification and All-Weather Hydrovoltaic Generation, Advanced Materials, 2025, DOI: 10.1002/adma.202501809

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202501809

  課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing