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  隨著全球人口持續增長與淡水資源短缺矛盾的日益加劇，太陽能界面蒸發技術因其高效能、低能耗及環境友好性等優勢，吸引了眾多研究人員的廣泛關注。水凝膠具有3D交聯高分子網絡，其多孔結構不僅能夠有效負載光熱轉換材料，還能調控水分子結合狀態以顯著降低水蒸發焓。同時，水凝膠內部可調控的水分運輸通道與熱傳導特性，使其在界面太陽能海水蒸發領域展現出獨特優勢。目前，水凝膠陣列結構的調控多為單一的定向或徑向結構。而單一的定向或徑向結構有其各自的優缺點。比如：定向結構具有快速的水運輸能力，但徑向結構具有更好的熱約束性能。為了更好了利用定向和徑向結構各自的優勢，近期，蘇州大學紡織與服裝工程學院程絲教授團隊通過冷凍干燥技術一步法制備了具有徑向/定向組合結構的水凝膠（圖1）。本研究開發了一種獨特的基于納米纖維水凝膠的太陽能蒸發器，其特點是結合了徑向/定向陣列結構的各自優勢，實現高效太陽能海水淡化。

  該工作以“Nanofibrous Hydrogel with Highly Salt-Resistant Radial/Vertical-Combined Structure for Efficient Solar Interfacial Evaporation”為題發表在《Small》上。文章第一作者是蘇州大學2022級研究生文勇，程絲教授和劉金鑫副教授為共同通訊作者。

圖1.PMS制備流程。

  該研究通過冷凍鑄造技術，在冷凍過程中控制冷凍溫度，達到控制冰晶生長的作用，實現了內部垂直定向，外側徑向結構的水凝膠。這種水凝膠協同利用了定向結構的快速水運輸能力和徑向結構的優異的熱約束性能，顯著提高了其界面蒸發的性能。這種具有外部徑向通道和內部垂直定向通道的一體化結構使該蒸發器具有出色的水傳輸能力，并減少了熱量損失，從而實現了卓越的蒸發性能和高抗鹽性。在水凝膠中加入納米纖維不僅能增強水凝膠的穩定性，還能促進水的傳輸。

圖2.PMS蒸發器的形貌結構

  圖2為PMS-4氣凝膠狀態下的微觀結構表征。如圖2 a-f可見，PMA的內部呈現中心垂直排列的定向結構，外部為橫向通道的徑向結構。PMA的頂部SEM圖像可見，PMA的結構沿徑向呈中心對稱模式排列分布（圖2 b）。徑向通道包含了大量微孔，有助于通道之間的鹽和水的運動（圖2 c）。PMS-4的中心區域則具有隨機孔洞，截面顯示其具有與外部不同的垂直孔道（圖2 d）。PMA的截面照片和SEM進一步證實（圖2 e和h）， 樣品具有中心為垂直排列的通道和兩側外部為水平方向的徑向排列通道。這是由于較高的冷凍溫度導致冰晶沿徑向的生長速率較為緩慢，使得外側冰晶能夠逐步向內部延伸生長。在此過程中，相對于PMS-4中心區域，外圍冰晶的定向生長實際上構建了一個天然的定向模具。此外，將PMA加入到CaCl₂溶液中進行離子交聯，形成纖維水凝膠，結構未發生改變（圖2 i）。

圖3.PMS蒸發器的界面蒸發性能及機理分析和蒸發穩定性

  MXene的加入使得PMS-4在250–2500 nm波段的光吸收率達92%（圖3 a），且在1 kW m^-2輻照下表面溫度升至36°C（純水僅27.2°C），紅外成像顯示其形成冷蒸發面（30.6°C），減少熱損失并利用環境能量（圖3 b,c）。蒸發速率隨暴露高度增加，2 cm時達4.62 kg m^-2 h^-1（效率146.57%），歸因于更大的側面吸熱面積（圖3 d,e）。DSC測試表明PMS-4中水的蒸發焓（1800 J g^-1）僅為純水的75%，得益于親水基團調控的中間水占比提升（圖3 f,g）。長期測試中，PMS-4在3.5 wt% NaCl溶液中保持穩定蒸發（4.62 kg m^-2 h^-1），7次循環后仍維持高效（4.20±0.42 kg m^-2 h^-1），證實其耐久性（圖3 h,i）。

圖4.PMS蒸發器的拒鹽能力及拒鹽機理

  進一步發掘PMS-4的復合結構優勢，進行了對應的抗鹽測試。PMS-4在3.5-25 wt% NaCl溶液中表現出優異耐鹽性：3.5 wt%溶液12小時無結晶，20 wt%溶液12小時少量結晶，25 wt%溶液10小時開始結晶（圖4 a）。其抗鹽性能優于多數同類蒸發器（圖4 b），歸因于復合結構和超親水基體的協同作用。鹽擴散實驗證實其垂直孔道可快速遷移鹽離子（圖4 c）。定向/徑向陣列結構通過層狀通道實現高效輸水（圖4 d），內部垂直通道促進鹽分回流。在不同鹽度（海水至20 wt% NaCl）中均保持穩定蒸發性能（20 wt%時達3.99±0.05 kg m^-2 h^-1）。淡化后水質符合飲用水標準（圖4 f）。與同類蒸發器相比，PMS-4在速率和效率上具優勢（圖4 g），得益于定向結構的輸水能力和徑向結構的熱約束效應。

圖5.PMS蒸發器的實際應用

  為了探究PMS-4作為界面蒸發器的實用性，本研究在蘇州大學進行了戶外實驗。PMS-4在戶外測試中表現出優異蒸發性能（圖5 a）。在30°C以上環境（高于室內26°C），其蒸發速率達6.79 kg m^-2 h^-1，10小時產水量47.91 kg m^-2（圖5 b）。陰天條件下，2.01 cm2蒸發器仍可產480 g淡水（圖5 c）。7天實驗顯示產水量與輻照度、溫度呈正相關（圖5 d），性能穩定。但受限于冷凝裝置設計，實際產水量仍有提升空間。

  綜上，該工作提出了一種基于納米纖維水凝膠的復合太陽能界面蒸發器，該蒸發器具有徑向/定向組合結構，由外部徑向通道和內部垂直排列通道組成的集成結構顯著增強了蒸發器的水傳輸能力，并最大限度地減少了熱量損失。在太陽光照射下，蒸發器的水蒸發率達到4.62 kg m^-1 h^-2，能量利用效率高達149.57%，即使在高濃度鹽溶液中長時間運行也能保持高性能。此外，1 m²的PMS-4蒸發器在陰天可從3.5 wt%的模擬海水中產生至少24 kg淡水，在晴天可產生47.91 kg淡水，足以滿足淡水需求。這項研究驗證了所提出的內部納米結構在提高水凝膠蒸發器的效率、穩定性和耐鹽性方面的功效。創新的PMS-4太陽能蒸發器標志著可持續高效海水淡化的一個重要里程碑，為全球提供了一個前景廣闊的解決方案。

  該工作是團隊近期關于光熱界面蒸發領域的最新進展之一，該團隊聚焦于結構設計、抗鹽及高效水蒸發等問題，開展了一系列的水凝膠基光熱蒸汽轉換結構的創新研究，致力于通過可持續的方式實現海水淡化和廢水處理。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202411780