太阳界面蒸发可同时服务于海水淡化和水–能协同利用，但界面盐积累会导致光吸收衰减、传质通道堵塞和长期运行失稳，而蒸发形成的盐度梯度能往往未被充分利用。针对传统抗盐策略依赖被动扩散、难以适应高盐和长时运行的问题，本文提出离子渗透（IP）调控策略，构建了两性离子水凝胶（ ZH）蒸发器：碳纳米管功能化纤维织物（CNT-FF）负责光热蒸发，纤维织物（ FF）负责盐水供给，ZH 促进盐离子沿盐度梯度向体相盐水渗透并抑制界面结晶。体系利用蒸发产生的浓盐水与低盐水进行盐差发电，并耦合淡水灌溉和盐回收，形成脱盐–发电–灌溉–盐回收协同系统，展示了稳定太阳脱盐与盐度梯度能利用的一体化策略。相关工作以Ion Permeation in Zwitterionic Hydrogel for Stable Solar Desalination and Power Generation为题发表在Advanced Materials期刊。
该工作先假设离子渗透（IP）可比被动扩散更有效地调控盐迁移，并提出脱盐–发电–灌溉–盐回收（DPIS）协同构想（图1）。随后构建由碳纳米管功能化纤维织物（CNT-FF）、纤维织物（FF）和两性离子水凝胶（ZH）组成的蒸发器，验证其光热供能、毛细供水和离子渗透排盐的功能分工（图2）。接着通过不同盐度蒸发和结晶对比证明该结构兼具高蒸发速率与抗盐稳定性（图3）。再通过不同水凝胶对照、电导率、离子浓度和电压响应说明 ZH 可促进盐离子沿盐度梯度快速下渗（图4）。进一步利用原位拉曼和分子动力学模拟揭示两性离子通道增强离子迁移动力学的机制（图5）。在机制明确后，作者将稳定脱盐产生的浓盐水接入盐差发电单元，实现长期脱盐和最高 24.08 W m⁻² 的功率输出（图6）。最后通过户外海水淡化、小麦灌溉和盐回收验证实际应用潜力（图7）。
图1典型水凝胶蒸发器与离子渗透（IP）蒸发器的传质和传热对比。(a,b)典型水凝胶蒸发器（a）和离子渗透蒸发器（b）的传质与传热示意图。对于具有内部水输运通道的典型蒸发器（如冻干水凝胶蒸发器），水和盐离子均可由体相盐水快速输送至蒸发表面；相比之下，IP蒸发器采用未经冻干的两性离子水凝胶（ZH），其本身不具备快速盐水输运能力，而水凝胶两侧的纤维织物负责快速将盐水输送至蒸发表面。(c)太阳驱动脱盐–发电–灌溉–盐回收（DPIS）系统示意图。IP蒸发器首先实现海水淡化并产生可用于农业灌溉的淡水，浓缩后的盐水进一步用于太阳驱动界面蒸发，通过浓盐水与表层水之间的盐度梯度实现发电，待盐水完全蒸发后回收析出的盐晶。
图2IP蒸发器的制备与表征。(a) IP蒸发器实物照片。(b) IP蒸发器结构示意图。(c)两性离子水凝胶（ZH）的扫描电子显微镜（SEM）图像及能谱元素分布（EDS）图。(d) ZH的水输运测试。当将一块纤维织物（FF）放置于部分浸没在黑色墨水中的ZH上方时，若ZH具有水输运能力，则上方FF将被墨水润湿。(e) FF的水输运测试。(f) FF和碳纳米管功能化纤维织物（CNT-FF）的紫外–可见–近红外（UV–vis–NIR）吸收光谱。(g)一倍太阳光照射下，采用ZH和FF供水方式蒸发器的蒸发表面及体相盐水温度变化。(h)两种蒸发器蒸发表面的红外热成像图。(i) COMSOL模拟比较FF供水（上）与传统大面积向上供水（下）的热损失。
图3太阳能海水淡化性能及稳定抗盐性能。(a)仅基于受光面积（IS）的质量变化。(b)含水CNT-FF在O─H伸缩振动区域的拉曼光谱及峰拟合结果，表明其中间态水与自由水（IW/FW）比例为0.36。(c)同时考虑受光面积（IS）和环境能量输入（EEI）条件下的质量变化。(d)不同盐度盐水中IP蒸发器在一倍太阳光照下基于IS与IS+EEI的蒸发速率及基于IS计算的能量效率。(e)蒸发表面盐结晶照片。(f)一倍太阳光照下，15 wt.%盐水中有无ZH蒸发器的质量变化。(g)蒸发过程中盐水盐度变化。(h) IP蒸发器在不同盐度盐水中的抗盐性能比较。
图4IP蒸发器的抗盐机理。(a)一倍太阳光照下，23 wt.%盐水中不同蒸发器从蒸发开始至表面出现盐结晶期间的盐水质量变化（数据记录截至蒸发表面出现盐结晶时）。(b)水凝胶离子渗透能力测试示意图（黄色和绿色球分别代表Na⁺和Cl⁻）。(c)不同水凝胶上下层三聚氰胺泡沫中溶液的电导率。(d)测试结束后ZH达到平衡状态的示意图。(e) ZH下层溶液中的离子浓度，插图为三聚氰胺泡沫的SEM图像及对应EDS元素分布图。(f)一倍太阳光照下，20 wt.%盐水中有无ZH蒸发器产生的电压变化。(g) 1.5倍太阳光照下，23 wt.%盐水中IP蒸发器的质量变化及盐度变化，插图为稳态蒸发表面的红外热像。(h) IP蒸发器抗盐机理示意图。
图5盐离子渗透过程的动态捕获。(a)盐度梯度驱动和无盐度梯度条件下ZH的原位拉曼光谱。(b)密度泛函理论（DFT）优化后丙烯酰胺（AM）和磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯（SBMA）单体的分子结构及其表面静电势（ESP）分布。(c)分子动力学模拟盐离子通过非离子水凝胶（NH）和两性离子水凝胶（ZH）由高盐区向低盐区渗透的过程。(d,e)模拟过程中上下腔室中Na⁺/H₂O（d）和Cl⁻/H₂O（e）数量变化。(f) ZH与NH中Na⁺和Cl⁻的扩散系数（纵坐标D）。
图6长时间连续脱盐与盐度梯度发电。(a)长时间连续脱盐（Ⅰ）耦合盐度梯度发电（Ⅱ）示意图。(b)一倍太阳光照下，模拟海水（3.5 wt.% NaCl溶液）中IP蒸发器（IS+EEI）的质量变化及蒸发速率，阴影区域表示两批海水的蒸发过程，插图分别为更换原始海水时和实验结束后的蒸发表面照片，比例尺为1 cm。(c)简易太阳能海水淡化辅助盐度梯度发电装置及测试过程照片。(d)测试过程中近饱和盐水和表层水盐度变化，阴影区域表示两者之间的盐度梯度。(e)测试过程中装置产生的开路电压（VOC）和短路电流（ISC）变化。(f)不同外接负载电阻下装置的最大功率密度及负载电压。
图7户外实验及小麦灌溉验证。(a)利用太阳能淡化水灌溉小麦的示意图。(b)户外太阳能海水淡化系统实物照片。(c) 2024年10月22日北京时间11:00–16:00自然光照条件下的太阳辐照强度及集水速率。(d)海水淡化前后各离子浓度变化。(e)采用淡化水灌溉后小麦7天内的生长高度变化。
小结：研究者构建了基于两性离子水凝胶（ZH）的离子渗透型太阳蒸发器，通过将纤维织物供水通道与 ZH 离子渗透通道空间解耦，实现了界面蒸发、抗盐和盐度梯度能利用的协同。该蒸发器在 0~25 wt.% 盐水中均保持超过 3.50 kg m⁻² h⁻¹ 的蒸发速率，在 3.5 wt.% 模拟海水中连续运行 105 h 未观察到盐积累，平均蒸发速率达 3.90 kg m⁻² h⁻¹，具有优异的长时抗盐稳定性。利用蒸发浓缩得到的近饱和盐水进行盐差发电，获得 24.08 W m⁻² 的最大功率密度；户外测试中集水速率达 2.72 L m⁻² h⁻¹，产水离子浓度降低 3~4 个数量级，并可用于小麦灌溉。该工作为稳定太阳脱盐与水–能–盐资源协同利用提供了新的材料设计与系统集成思路。
论文信息：
Zou H, Meng X, Qi J, et al. Ion Permeation in Zwitterionic Hydrogel for Stable Solar Desalination and Power Generation[J]. Advanced Materials, 2026: e73816.
https://doi.org/10.1002/adma.73816
都看到这里了，关注一下吧^_^
声明：本文部分素材源自网络，版权归原作者所有。分享旨在促进信息传递与学术交流，不代表本公众号立场，如有不当，请联系我们处理。欢迎从事【太阳能综合利用/辐射制冷/微纳尺度传热】等相关领域学者分享您最新的研究工作，我们将竭诚为您免费推送，投稿邮箱：wangcunhai@ustb.edu.cn
热门跟贴