文獻前沿| Adv.Mater. 基于離子滲透的兩性離子水凝膠用于穩定太陽能水-電聯產

太陽界面蒸發可同時服務于海水淡化和水–能協同利用，但界面鹽積累會導致光吸收衰減、傳質通道堵塞和長期運行失穩，而蒸發形成的鹽度梯度能往往未被充分利用。針對傳統抗鹽策略依賴被動擴散、難以適應高鹽和長時運行的問題，本文提出離子滲透（IP）調控策略，構建了兩性離子水凝膠（ ZH）蒸發器：碳納米管功能化纖維織物（CNT-FF）負責光熱蒸發，纖維織物（ FF）負責鹽水供給，ZH 促進鹽離子沿鹽度梯度向體相鹽水滲透并抑制界面結晶。體系利用蒸發產生的濃鹽水與低鹽水進行鹽差發電，并耦合淡水灌溉和鹽回收，形成脫鹽–發電–灌溉–鹽回收協同系統，展示了穩定太陽脫鹽與鹽度梯度能利用的一體化策略。相關工作以Ion Permeation in Zwitterionic Hydrogel for Stable Solar Desalination and Power Generation為題發表在Advanced Materials期刊。

該工作先假設離子滲透（IP）可比被動擴散更有效地調控鹽遷移，并提出脫鹽–發電–灌溉–鹽回收（DPIS）協同構想（圖1）。隨后構建由碳納米管功能化纖維織物（CNT-FF）、纖維織物（FF）和兩性離子水凝膠（ZH）組成的蒸發器，驗證其光熱供能、毛細供水和離子滲透排鹽的功能分工（圖2）。接著通過不同鹽度蒸發和結晶對比證明該結構兼具高蒸發速率與抗鹽穩定性（圖3）。再通過不同水凝膠對照、電導率、離子濃度和電壓響應說明 ZH 可促進鹽離子沿鹽度梯度快速下滲（圖4）。進一步利用原位拉曼和分子動力學模擬揭示兩性離子通道增強離子遷移動力學的機制（圖5）。在機制明確后，作者將穩定脫鹽產生的濃鹽水接入鹽差發電單元，實現長期脫鹽和最高 24.08 W m?2 的功率輸出（圖6）。最后通過戶外海水淡化、小麥灌溉和鹽回收驗證實際應用潛力（圖7）。

圖1典型水凝膠蒸發器與離子滲透（IP）蒸發器的傳質和傳熱對比。(a,b)典型水凝膠蒸發器（a）和離子滲透蒸發器（b）的傳質與傳熱示意圖。對于具有內部水輸運通道的典型蒸發器（如凍干水凝膠蒸發器），水和鹽離子均可由體相鹽水快速輸送至蒸發表面；相比之下，IP蒸發器采用未經凍干的兩性離子水凝膠（ZH），其本身不具備快速鹽水輸運能力，而水凝膠兩側的纖維織物負責快速將鹽水輸送至蒸發表面。(c)太陽驅動脫鹽–發電–灌溉–鹽回收（DPIS）系統示意圖。IP蒸發器首先實現海水淡化并產生可用于農業灌溉的淡水，濃縮后的鹽水進一步用于太陽驅動界面蒸發，通過濃鹽水與表層水之間的鹽度梯度實現發電，待鹽水完全蒸發后回收析出的鹽晶。

圖2IP蒸發器的制備與表征。(a) IP蒸發器實物照片。(b) IP蒸發器結構示意圖。(c)兩性離子水凝膠（ZH）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像及能譜元素分布（EDS）圖。(d) ZH的水輸運測試。當將一塊纖維織物（FF）放置于部分浸沒在黑色墨水中的ZH上方時，若ZH具有水輸運能力，則上方FF將被墨水潤濕。(e) FF的水輸運測試。(f) FF和碳納米管功能化纖維織物（CNT-FF）的紫外–可見–近紅外（UV–vis–NIR）吸收光譜。(g)一倍太陽光照射下，采用ZH和FF供水方式蒸發器的蒸發表面及體相鹽水溫度變化。(h)兩種蒸發器蒸發表面的紅外熱成像圖。(i) COMSOL模擬比較FF供水（上）與傳統大面積向上供水（下）的熱損失。

圖3太陽能海水淡化性能及穩定抗鹽性能。(a)僅基于受光面積（IS）的質量變化。(b)含水CNT-FF在O─H伸縮振動區域的拉曼光譜及峰擬合結果，表明其中間態水與自由水（IW/FW）比例為0.36。(c)同時考慮受光面積（IS）和環境能量輸入（EEI）條件下的質量變化。(d)不同鹽度鹽水中IP蒸發器在一倍太陽光照下基于IS與IS+EEI的蒸發速率及基于IS計算的能量效率。(e)蒸發表面鹽結晶照片。(f)一倍太陽光照下，15 wt.%鹽水中有無ZH蒸發器的質量變化。(g)蒸發過程中鹽水鹽度變化。(h) IP蒸發器在不同鹽度鹽水中的抗鹽性能比較。

圖4IP蒸發器的抗鹽機理。(a)一倍太陽光照下，23 wt.%鹽水中不同蒸發器從蒸發開始至表面出現鹽結晶期間的鹽水質量變化（數據記錄截至蒸發表面出現鹽結晶時）。(b)水凝膠離子滲透能力測試示意圖（黃色和綠色球分別代表Na?和Cl?）。(c)不同水凝膠上下層三聚氰胺泡沫中溶液的電導率。(d)測試結束后ZH達到平衡狀態的示意圖。(e) ZH下層溶液中的離子濃度，插圖為三聚氰胺泡沫的SEM圖像及對應EDS元素分布圖。(f)一倍太陽光照下，20 wt.%鹽水中有無ZH蒸發器產生的電壓變化。(g) 1.5倍太陽光照下，23 wt.%鹽水中IP蒸發器的質量變化及鹽度變化，插圖為穩態蒸發表面的紅外熱像。(h) IP蒸發器抗鹽機理示意圖。

圖5鹽離子滲透過程的動態捕獲。(a)鹽度梯度驅動和無鹽度梯度條件下ZH的原位拉曼光譜。(b)密度泛函理論（DFT）優化后丙烯酰胺（AM）和磺基甜菜堿甲基丙烯酸酯（SBMA）單體的分子結構及其表面靜電勢（ESP）分布。(c)分子動力學模擬鹽離子通過非離子水凝膠（NH）和兩性離子水凝膠（ZH）由高鹽區向低鹽區滲透的過程。(d,e)模擬過程中上下腔室中Na?/H?O（d）和Cl?/H?O（e）數量變化。(f) ZH與NH中Na?和Cl?的擴散系數（縱坐標D）。

圖6長時間連續脫鹽與鹽度梯度發電。(a)長時間連續脫鹽（Ⅰ）耦合鹽度梯度發電（Ⅱ）示意圖。(b)一倍太陽光照下，模擬海水（3.5 wt.% NaCl溶液）中IP蒸發器（IS+EEI）的質量變化及蒸發速率，陰影區域表示兩批海水的蒸發過程，插圖分別為更換原始海水時和實驗結束后的蒸發表面照片，比例尺為1 cm。(c)簡易太陽能海水淡化輔助鹽度梯度發電裝置及測試過程照片。(d)測試過程中近飽和鹽水和表層水鹽度變化，陰影區域表示兩者之間的鹽度梯度。(e)測試過程中裝置產生的開路電壓（VOC）和短路電流（ISC）變化。(f)不同外接負載電阻下裝置的最大功率密度及負載電壓。

圖7戶外實驗及小麥灌溉驗證。(a)利用太陽能淡化水灌溉小麥的示意圖。(b)戶外太陽能海水淡化系統實物照片。(c) 2024年10月22日北京時間11:00–16:00自然光照條件下的太陽輻照強度及集水速率。(d)海水淡化前后各離子濃度變化。(e)采用淡化水灌溉后小麥7天內的生長高度變化。

小結：研究者構建了基于兩性離子水凝膠（ZH）的離子滲透型太陽蒸發器，通過將纖維織物供水通道與 ZH 離子滲透通道空間解耦，實現了界面蒸發、抗鹽和鹽度梯度能利用的協同。該蒸發器在 0~25 wt.% 鹽水中均保持超過 3.50 kg m?2 h?1 的蒸發速率，在 3.5 wt.% 模擬海水中連續運行 105 h 未觀察到鹽積累，平均蒸發速率達 3.90 kg m?2 h?1，具有優異的長時抗鹽穩定性。利用蒸發濃縮得到的近飽和鹽水進行鹽差發電，獲得 24.08 W m?2 的最大功率密度；戶外測試中集水速率達 2.72 L m?2 h?1，產水離子濃度降低 3~4 個數量級，并可用于小麥灌溉。該工作為穩定太陽脫鹽與水–能–鹽資源協同利用提供了新的材料設計與系統集成思路。

論文信息：

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

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