南京理工大學AM：仿生雙梯度氣凝膠問世，曬太陽就能產(chǎn)水又發(fā)電！

在全球能源需求持續(xù)攀升與生態(tài)環(huán)境挑戰(zhàn)日益嚴峻的背景下，淡水資源與能源的短缺已成為亟待解決的緊迫問題。長期以來，太陽能的開發(fā)與利用被視為緩解全球水-能危機的關(guān)鍵路徑之一。太陽能驅(qū)動的界面蒸發(fā)技術(shù)能夠利用光熱效應(yīng)將海水轉(zhuǎn)化為純凈水蒸氣，而濕氣發(fā)電技術(shù)則能捕獲水汽-液相變過程中釋放的化學勢能并轉(zhuǎn)化為電能。理論上，將二者整合于同一平臺可實現(xiàn)淡水與電力的協(xié)同生產(chǎn)。然而，實際應(yīng)用中面臨兩大核心挑戰(zhàn)：一方面，光熱材料在氣-液界面局域化能量集中，導致水快速汽化而鹽分滯留，且鹽離子的反向擴散通量無法抵消蒸發(fā)通量，使界面鹽濃度超過溶解度極限而引發(fā)結(jié)晶；另一方面，濕氣發(fā)電中的水分梯度因自發(fā)擴散而迅速均質(zhì)化，導致離子遷移驅(qū)動力衰減，無法維持長期發(fā)電。如何構(gòu)建一種能同時應(yīng)對鹽沉積與輸出衰減的多功能材料，成為領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)難點。

受植物葉綠體類囊體膜中ATP合成酶利用離子梯度與水分梯度實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)導的啟發(fā)，南京理工大學朱俊武教授、熊攀教授和悉尼科技大學汪國秀教授合作，成功設(shè)計出一種雙梯度氣凝膠。該材料通過非對稱離子摻雜與親水性差異，在單一結(jié)構(gòu)中同時構(gòu)建了離子梯度與水分梯度。實驗表明，基于該氣凝膠的水-電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，其功率密度相較于均質(zhì)氣凝膠提升了324倍，并在高鹽環(huán)境中穩(wěn)定運行7天無鹽沉積。戶外陣列實驗進一步驗證了該系統(tǒng)在真實環(huán)境下同步產(chǎn)水產(chǎn)電的可行性。相關(guān)論文以“Bio-Inspired Dual-Gradient Aerogel Enables Sustainable Freshwater Production and Energy Harvesting”為題，發(fā)表在Advanced Materials上，為發(fā)展高效、自持的水-能協(xié)同生產(chǎn)技術(shù)開辟了新路徑。

圖1 | DGA的工作機制及WECPS陣列的戶外性能。 (a) 均質(zhì)氣凝膠結(jié)構(gòu)缺乏梯度結(jié)構(gòu)，導致鹽沉積和發(fā)電持續(xù)時間短的問題示意圖。 (b) DGA用于太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)和濕氣發(fā)電的示意圖，DGA中的離子梯度和水分梯度提供了抗鹽性和穩(wěn)定的電輸出。 (c) 規(guī)模化水-電聯(lián)產(chǎn)集成系統(tǒng)示意圖，利用太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)產(chǎn)生淡水并儲存在水塔中，同時通過濕氣發(fā)電產(chǎn)生電能并儲存在儲能站中。

這種雙梯度氣凝膠的制備采用陰離子表面活性劑SDBS和陽離子表面活性劑CTAB，在吡咯聚合過程中實現(xiàn)聚吡咯的陰離子/陽離子摻雜，并將其分別與聚乙烯醇復(fù)合，通過自組裝發(fā)泡策略構(gòu)建出雙層異質(zhì)結(jié)構(gòu)。從實物照片可見，該氣凝膠（尺寸3 cm × 3 cm × 0.6 cm）具有高度多孔的形貌，側(cè)面可清晰觀察到雙層界面（圖2a）。掃描電鏡圖像顯示，氣凝膠內(nèi)部為發(fā)達的三維多孔網(wǎng)絡(luò)，并清晰可見兩相界面處的分界線（圖2b）。更高倍數(shù)觀察下，SPP層（SDBS摻雜層）具有更寬的孔徑分布和更薄的孔壁，而CPP層（CTAB摻雜層）則呈現(xiàn)更小的孔徑與更厚的孔壁（圖2c,d）。元素分布圖譜表明，鈉和溴元素在雙層界面處呈非對稱分布（圖2e），證實了離子梯度的成功構(gòu)筑。X射線光電子能譜進一步確認了Na?和Br?分別富集于各自對應(yīng)層中，高分辨Na 1s和Br 3d光譜證實了離子的成功摻雜（圖2f,g），且離子摻雜并未改變PPy與PVA的分子結(jié)構(gòu)。

接觸角測量結(jié)果揭示了兩層之間顯著的親水性差異：SPP層呈強親水性（接觸角30.2°），而CPP層僅為弱親水性（接觸角80.7°）（圖2h），由此形成了穩(wěn)定的水分梯度。該差異源于兩種表面活性劑固有的親水性差別以及兩層多孔結(jié)構(gòu)的形態(tài)差異。得益于聚乙烯醇與聚吡咯之間的強氫鍵交聯(lián)作用，該氣凝膠展現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能——在80%應(yīng)變下壓縮應(yīng)力達1.71 MPa，約為純PVA氣凝膠的1.6倍。經(jīng)過10次潤濕-干燥循環(huán)及70小時高濕連續(xù)運行后，其力學性能未見衰減。潤濕后的氣凝膠可被拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)而不破裂（圖2i），展現(xiàn)出良好的實際應(yīng)用柔性。

圖2 | DGA的設(shè)計與表征。 (a) DGA的頂視圖和側(cè)視圖照片，尺寸為3 cm × 3 cm × 0.6 cm。 (b) DGA的截面SEM圖像。 (c) SPP層和(d) CPP層的截面SEM圖像。 (e) DGA在雙層界面處的Na和Br元素分布圖。 (f) SPP和CPP層中Na 1s和(g) Br 3d的高分辨XPS光譜。 (h) SPP和CPP層的接觸角。 (i) 潤濕態(tài)DGA在拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)條件下的光學照片。

在濕氣發(fā)電性能測試中，該雙梯度氣凝膠的表現(xiàn)遠超均質(zhì)對照組。均質(zhì)氣凝膠HA-1（強親水）和HA-2（弱親水）因缺乏內(nèi)部梯度結(jié)構(gòu)，僅依靠上下表面的瞬態(tài)濕度差異產(chǎn)生微弱電能，其開路電壓和短路電流分別僅為0.04 V/0.4 μA和0.12 V/3.4 μA（圖3a,b）。相比之下，雙梯度氣凝膠實現(xiàn)了0.52 V的開路電壓和27.8 μA的短路電流（圖3a,b），功率密度達2.53 μW/cm2（圖3c,d），分別是HA-1和HA-2的324倍和12倍。研究發(fā)現(xiàn)，6 mm為最優(yōu)厚度——過厚會導致上層水分子吸附過飽和、離子活性和遷移率下降，同時增加內(nèi)阻，降低電荷收集效率。

環(huán)境濕度對發(fā)電性能影響顯著：隨相對濕度從20%升至90%，電壓與電流輸出同步增強（圖3e），且在濕度循環(huán)切換中響應(yīng)近乎同步（響應(yīng)時間小于0.5 s），表現(xiàn)出優(yōu)異的濕度可逆性（圖3f）。該快速響應(yīng)主要歸因于DGA高度多孔的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及豐富的親水界面，促進了水蒸氣的快速擴散與吸附/脫附動力學。此外，該氣凝膠還可作為壓力傳感器，在500 g負載下輸出穩(wěn)定的電信號，且機械循環(huán)后結(jié)構(gòu)完全恢復(fù)（圖3g）。長達70小時的連續(xù)測試表明，其開路電壓與短路電流均無明顯衰減（圖3h），凍干后的測試證實離子梯度和水分梯度仍保持完好，展現(xiàn)出卓越的長效穩(wěn)定性。與近年報道的典型凝膠基濕氣發(fā)電機相比，該材料在輸出電壓、電流密度和工作時長三項指標上取得了優(yōu)異的綜合平衡。

圖3 | 電輸出性能。 (a) HA-1、HA-2和DGA在80%相對濕度和25 ± 2 °C條件下的開路電壓和(b)短路電流輸出。 (c) HA-1、HA-2和DGA在80%相對濕度和25 ± 2 °C條件下的電流密度和(d)輸出功率密度隨外部負載電阻的變化。 (e) 室溫下開路電壓和短路電流輸出隨相對濕度變化的關(guān)系。 (f) DGA在周期性濕度切換循環(huán)下的開路電壓輸出隨時間變化。插圖為特定時間點的放大細節(jié)。 (g) DGA在80%相對濕度和25 ± 2 °C條件下被500 g砝碼按壓不同時間的開路電壓輸出；光學照片顯示DGA被500 g砝碼按壓和釋放的過程。 (h) DGA在80%相對濕度和25 ± 2 °C條件下70小時的開路電壓和短路電流輸出。

為定量區(qū)分離子梯度與水分梯度各自的貢獻，研究團隊設(shè)計了兩種對照氣凝膠：僅含離子梯度的樣品（引入非離子聚合物PEG消除水分梯度）和僅含水分梯度的樣品（對SPP層進行疏水改性消除離子梯度）。結(jié)果顯示，僅含離子梯度的樣品初始輸出較高（0.50 V, 22.39 μA），但衰減迅速，證實離子梯度是電荷載流子擴散的主要驅(qū)動力，但缺乏持續(xù)水分梯度時離子濃度差會快速均質(zhì)化；僅含水分梯度的樣品輸出較低但穩(wěn)定（約0.17 V, 4.36 μA），說明持續(xù)定向的水傳輸是維持長效發(fā)電的必要條件，但單靠水分梯度不足以實現(xiàn)高輸出。此外，梯度方向性對發(fā)電性能至關(guān)重要——反轉(zhuǎn)型DGA因SPP層無法有效吸濕，破壞了水傳輸路徑，輸出顯著降低。兩種梯度以正確方向協(xié)同作用，方能兼顧高輸出與長壽命。

開爾文探針力顯微鏡測試揭示了濕度誘導的表面電勢變化：干燥狀態(tài)下，SPP層與CPP層表面電勢分別為+85 mV和+131 mV（圖4d-f）；暴露于80%濕度后，二者分別變?yōu)?267 mV和+243 mV（圖4d-f），形成了顯著的電位差，且該差值隨濕度增加而增大。這表明水分子促進了兩種離子在氣凝膠內(nèi)的解離與釋放，隨后由離子濃度梯度驅(qū)動在微孔中傳輸。固體表面Zeta電位測量結(jié)果進一步支持了這一機制（圖4g）。數(shù)值模型計算（圖4h,i）表明，離子梯度驅(qū)動Na?和Br?從高濃度層向低濃度層擴散（圖4a-c），產(chǎn)生擴散電流與內(nèi)部界面電場，而水分梯度則確保水分子與離子的持續(xù)定向輸運，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的長期電力輸出。

圖4 | 發(fā)電機理驗證。 (a) DGA中水分子的自發(fā)吸附。 (b) 水分子觸發(fā)DGA兩側(cè)聚合物鏈上自由離子(Na?和Br?)的解離。 (c) 離子濃度差驅(qū)動的Na?和Br?自發(fā)擴散。 (d) SPP和CPP在不同相對濕度下的相對表面電位。 (e) SPP層在0%相對濕度（上）和80%相對濕度（下）下的相對表面電位。 (f) CPP層在0%相對濕度（上）和80%相對濕度（下）下的相對表面電位。 (g) SPP層和CPP層的Zeta電位(ζ)。 (h) 穩(wěn)態(tài)下沿DGA厚度方向計算的Na?和Br?離子分布。 (i) 穩(wěn)態(tài)下沿DGA厚度方向計算的感應(yīng)電位分布。

在太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)性能方面，紫外-可見-近紅外光譜證實，聚吡咯的引入使氣凝膠的平均光吸收率提升至96.2%。在1個太陽光照下，雙梯度氣凝膠表面溫度10分鐘內(nèi)升至36.4°C，最終穩(wěn)定在37.8°C，顯著高于純水和PVA氣凝膠（圖5a）。紅外熱成像顯示，熱量被有效限制在蒸發(fā)界面（圖5b,c），60分鐘后氣凝膠表面溫度升高19.9°C，而下方水體溫度僅上升3.5°C（圖5d），證明其多孔結(jié)構(gòu)和疏水層有效抑制了向水體的熱傳導損失。該氣凝膠實現(xiàn)了2.10 kg m?2 h?1的蒸發(fā)速率（圖5e），是純水的5倍，比HA-1均質(zhì)蒸發(fā)器（1.65 kg m?2 h?1）高出約25%。反轉(zhuǎn)型氣凝膠因疏水層朝下阻礙水傳輸，蒸發(fā)速率大幅降至1.36 kg m?2 h?1，進一步證實了梯度方向的關(guān)鍵作用。

蒸發(fā)性能的提升還源于氣凝膠對水分子狀態(tài)的調(diào)控。在聚合物網(wǎng)絡(luò)水合過程中，水可分為結(jié)合水、中間水和自由水三種類型（圖5f）。拉曼光譜分析表明，雙梯度氣凝膠中中間水與自由水的比值達到0.52，顯著高于純水的0.15和HA-1的0.45（圖5g）。差示掃描量熱法測定顯示，中間水有效降低了水蒸發(fā)所需的總能量，使得該氣凝膠在1個太陽光照下的能量轉(zhuǎn)換效率高達91.7%，為所有樣品中最高（圖5h）。在0.5至2個太陽光照強度范圍內(nèi)，氣凝膠均保持穩(wěn)定的蒸發(fā)性能（圖5i），展現(xiàn)出優(yōu)異的光強適應(yīng)性。

圖5 | 太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)性能。 (a) 純水、HA-1和DGA蒸發(fā)器在1個太陽光照下表面溫度隨加熱時間的上升曲線。 (b) 純水、HA-1和DGA蒸發(fā)器在1個太陽光照下0 min、10 min、30 min和60 min的紅外熱像圖。 (c) DGA蒸發(fā)器在0 min和60 min時主體水和表面的溫度分布紅外熱像圖。 (d) DGA蒸發(fā)器在1個太陽光照下表面和主體水溫度隨時間的變化。 (e) 純水、HA-1和DGA蒸發(fā)器在1個太陽光照下質(zhì)量隨時間的變化。 (f) DGA中水的狀態(tài)。 (g) 純水、HA-1和DGA中IW/FW的比例。 (h) 純水、HA-1和DGA在1個太陽光照下的計算等效焓和蒸發(fā)效率。 (i) DGA蒸發(fā)器在0.5至2個太陽光照下質(zhì)量隨時間的變化。

抗鹽性能是該材料的另一突出優(yōu)勢。在模擬晝夜循環(huán)（9小時光照/15小時暗態(tài)）的3.5 wt%鹽水中運行7天，雙梯度氣凝膠憑借水分梯度誘導的馬朗戈尼對流（圖6a），實現(xiàn)了鹽分的自發(fā)排除，蒸發(fā)速率僅下降9%（圖6b）。而HA-1均質(zhì)蒸發(fā)器因表面嚴重鹽結(jié)晶導致蒸發(fā)速率下降38%（圖6b）。數(shù)碼照片清晰顯示，HA-1表面大面積覆蓋鹽晶體，而雙梯度氣凝膠表面基本保持清潔，僅邊緣有少量結(jié)晶（圖6c）。在3.5至20 wt%的寬鹽度范圍內(nèi)，該氣凝膠的蒸發(fā)速率從2.04 kg m?2 h?1僅微降至1.58 kg m?2 h?1，性能優(yōu)于眾多已報道的馬朗戈尼抗鹽蒸發(fā)器（圖6d）。

圖6 | 抗鹽性能。 (a) DGA蒸發(fā)器中水傳輸通道的示意圖。 (b) HA-1和DGA蒸發(fā)器在7個循環(huán)中每小時的蒸發(fā)速率。 (c) HA-1和DGA蒸發(fā)器在第一個循環(huán)實驗的0、5和9 h時的表面數(shù)碼照片。 (d) DGA蒸發(fā)器與已報道蒸發(fā)器在不同濃度鹽水中的蒸發(fā)性能比較。

戶外實際應(yīng)用驗證中，研究團隊搭建了四組大面積丙烯酸水-電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（圖7a），每組集成4 × 4陣列的10 cm × 10 cm雙梯度氣凝膠模塊。以黃海水為原水，系統(tǒng)在一天內(nèi)產(chǎn)出約3升凈化水（圖7b），基本滿足三口之家的日飲用水需求。四個裝置在7:00、10:00、14:00和17:00的蒸發(fā)與冷凝過程如圖7c所示。電感耦合等離子體質(zhì)譜分析表明，凈化后水中Na?、Mg2?、K?和Ca2?等主要離子濃度顯著降低，低于世界衛(wèi)生組織飲用水標準（圖7d）。對于含羅丹明B、甲基橙和亞甲基藍的混合染料廢水，該氣凝膠實現(xiàn)了超過99.9%的去除率；對于成分更復(fù)雜的實際生活污水，凈化后樣品同樣表現(xiàn)出卓越的清澈度，且氣凝膠在沖洗凍干后仍保持完整的宏觀形貌與發(fā)達的多孔結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出良好的耐受性。

在發(fā)電方面，四組戶外裝置（圖7g）采用4 × 2串并聯(lián)陣列配置（圖7e），可同時為多個電容器充電。在陰天高濕條件下，一個1000 μF電容器可重復(fù)充電至1.5 V（圖7f）。通過將8個充滿電的1000 μF電容器進行4 × 2串并聯(lián)組合，成功實現(xiàn)了5 V LED燈帶在1:00、9:00和17:00的連續(xù)三周期點亮（圖7h）。該氣凝膠陣列的材料成本估計約為8.0美元每平方米，遠低于已報道的太陽能蒸發(fā)器材料，充分展示了其實際應(yīng)用潛力。

圖7 | 戶外太陽能水凈化和發(fā)電性能。 (a) 戶外海水淡化裝置示意圖。 (b) 光照強度、溫度、濕度和產(chǎn)水量的時間變化。 (c) 戶外海水淡化裝置在7:00、10:00、14:00和17:00的數(shù)碼照片。 (d) 黃海水凈化前后的離子濃度。 (e) 4 × 2串并聯(lián)連接為電容器充電的示意圖。 (f) 電容器(1000 μF)的開路電壓隨時間變化及相應(yīng)電路圖。 (g) 戶外濕氣發(fā)電裝置示意圖。 (h) 戶外濕氣發(fā)電裝置在1:00、9:00和17:00點亮LED燈帶的數(shù)碼照片，燈帶由4 × 2串并聯(lián)連接的充滿電的1000 μF電容器陣列供電。

綜上所述，本研究開發(fā)的仿生雙梯度氣凝膠通過離子梯度與水分梯度的協(xié)同設(shè)計，同時實現(xiàn)了長期抗鹽太陽能蒸發(fā)與高性能濕氣發(fā)電。該氣凝膠基水-電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)不僅能在7天內(nèi)保持穩(wěn)定無鹽沉積的高速率蒸發(fā)，還能在70小時以上維持0.52 V和27.8 μA的電輸出。戶外陣列實驗進一步驗證了其在真實環(huán)境下同步產(chǎn)水產(chǎn)電的能力。這項工作將定向離子輸運與抗鹽蒸發(fā)相統(tǒng)一，為自給自足的淡水與能源協(xié)同生產(chǎn)技術(shù)開辟了新前沿，有望在島嶼、離網(wǎng)地區(qū)和遠洋船只等資源受限環(huán)境中建立可持續(xù)的運行范式。