20260715仿生雙梯度氣凝膠實現可持續淡水生產與能量收集

本期分享發表Advanced Materials雜志上題目為Bio-Inspired Dual-Gradient Aerogel Enables Sustainable Freshwater Production and Energy Harvesting的研究文章。

Part 1 文章簡介

太陽能驅動的界面蒸發與濕氣發電為可持續淡水及能源生產提供了極具前景的途徑，然而，將兩者整合為單一的水電聯產系統（WECPS）在很大程度上尚未實現。本研究設計了一種具有工程化離子和水分梯度的雙梯度氣凝膠（DGA），該材料能夠同時實現長效抗鹽太陽能蒸發與高性能濕氣發電。其中，利用兩種表面活性劑進行非對稱離子摻雜所構建的離子梯度，可驅動定向離子擴散以增強電能輸出；而源于親疏水性差異及非對稱孔隙結構的水分梯度，則維持了持續的水分與離子傳輸，并誘導馬蘭戈尼效應（Marangoni effect）以確保蒸發過程不中斷。結果表明，基于DGA的WECPS所提供的功率密度比均質氣凝膠高出324倍，且在高鹽度環境下仍能保持長達七天的穩定太陽能蒸發性能。此外，戶外DGA陣列WECPS在實際工況下也驗證了其同步生產淡水與收集能源的能力。這些發現為開發高效、自維持的水電聯產技術開辟了一條切實可行的途徑。

?Part 2 主要圖表

圖1是DGA 的工作機制及 WECPS 陣列的戶外運行表現。(a) 均質氣凝膠（HA）結構示意圖：由于缺乏梯度結構，導致鹽分沉積及發電持續時間短等問題。(b) 用于太陽能驅動界面蒸發與濕氣發電的 DGA 示意圖：DGA 內部形成的離子和水分梯度賦予了其抗鹽性能并確保了穩定的電力輸出。(c) 規模化水-電聯產集成系統（WECPS）示意圖：該系統利用太陽能驅動界面蒸發生產淡水并儲存于水塔中，同時通過濕氣發電產生電能并儲存于儲能站內。

圖2是DGA的設計與表征。(a) 尺寸為 3 cm × 3 cm × 0.6 cm 的 DGA 俯視圖和側視圖照片。(b) DGA 的截面 SEM 圖像。(c) SPP 層和 (d) CPP 層的截面 SEM 圖像。(e) DGA 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 的高分辨率 XPS 光譜。(h) SPP 和 CPP 層的接觸角。(i) 濕態 DGA 在拉伸、按壓、彎曲和扭轉條件下的光學照片。

圖3是電輸出性能特征。HA-1、HA-2 和 DGA 在 80% 相對濕度（RH）和 25 ± 2°C 條件下的 (a) 開路電壓（Voc）和 (b) 短路電流（Isc）輸出。HA-1、HA-2 和 DGA 在 80% RH 和 25 ± 2°C 條件下，隨外部負載電阻變化的 (c) 電流密度和 (d) 輸出功率密度。(e) 室溫下隨相對濕度（RH）變化而變化的 Voc 和 Isc 輸出。(f) DGA 在周期性濕度切換循環下的 Voc 隨時間變化的輸出情況；插圖展示了特定時間點的放大細節。(g) DGA 在 80% RH 和 25 ± 2°C 條件下，經 500 g 重物施加不同時長壓力后的 Voc 輸出；光學照片展示了 DGA 承受 500 g 重物壓力及卸載的過程。(h) DGA 在 80% RH 和 25 ± 2°C 條件下持續 70 小時的 Voc 和 Isc 輸出。

圖4是發電機制驗證。(a) DGA 中水分子自發吸附過程。(b) 水分子誘導 DGA 兩側聚合物鏈上自由離子（Na? 和 Br?）的解離。(c) 由離子濃度差驅動的離子（Na? 和 Br?）自發擴散。(d) 不同相對濕度（RH）下 SPP 和 CPP 的相對表面電勢。(e) 0% RH（上圖）和 80% RH（下圖）條件下 SPP 層的相對表面電勢。(f) 0% RH（上圖）和 80% RH（下圖）條件下 CPP 層的相對表面電勢。(g) SPP 層和 CPP 層的 Zeta 電位（ζ）。(h) 穩態下沿 DGA 厚度方向計算得到的 Na? 和 Br? 離子分布曲線。(i) 穩態下沿 DGA 厚度方向計算得到的感應電勢分布曲線。

圖5是太陽能驅動的界面蒸發特性。(a) 在1個太陽光照強度下，純水、HA-1和DGA蒸發器的表面溫度隨加熱時間的變化曲線。(b) 在1個太陽光照強度下，純水、HA-1和DGA蒸發器在0、10、30和60分鐘時的紅外熱成像圖。(c) DGA蒸發器在0和60分鐘時，主體水域與蒸發器表面的溫度分布紅外熱成像圖。(d) 在1個太陽光照強度下，DGA蒸發器的表面溫度和主體水溫隨時間的變化。(e) 在1個太陽光照強度下，純水、HA-1和DGA蒸發器的質量隨時間的變化。(f) DGA中水的狀態。(g) 純水、HA-1和DGA中中間水（IW）與自由水（FW）的比例。(h) 在1個太陽光照強度下，純水、HA-1和DGA的計算等效焓變及蒸發效率。(i) 在0.5至2個太陽光照強度下，DGA蒸發器的質量隨時間的變化。

圖6是抗鹽能力。(a) DGA蒸發器中水傳輸通道的示意圖。(b) HA-1和DGA蒸發器在七個循環周期內每小時的蒸發速率。(c) 首次循環實驗中，HA-1和DGA蒸發器表面在0、5和9小時時的實物照片。(d) DGA蒸發器與此前報道的蒸發器在不同濃度鹽水中的蒸發性能對比。

圖7是戶外太陽能水凈化與發電性能。(a) 戶外海水淡化裝置示意圖。(b) 輻照強度、溫度、濕度及產水率隨時間的變化。(c) 戶外海水淡化裝置在 7:00、10:00、14:00 和 17:00 的實物照片。(d) 黃海海水凈化前后的離子濃度。(e) 由 4 × 2 陣列（串并聯組合）充電的電容器示意圖。(f) 電容器（1000 μF）的開路電壓（Voc）隨時間的變化及相應的電路圖。(g) 戶外濕氣發電裝置示意圖。(h) 戶外濕氣發電裝置在 1:00、9:00 和 17:00 點亮 LED 燈帶的實物照片，燈帶由 4 × 2 陣列（串并聯組合）的已充滿電的 1000 μF 電容器供電。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.74057

引用：Ni, Anqi, et al. "Bio-Inspired Dual-Gradient Aerogel Enables Sustainable Freshwater Production and Energy Harvesting." Advanced Materials (2026).

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