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  伴隨人類社會高速發展，淡水資源短缺逐漸成為全球性問題。海水作為地球上最大體量水資源，被認為是最具潛力的淡水潛在來源。然而，傳統的海水淡化設備體積龐大、能耗高且難以適應不同場景需求。太陽能驅動的水蒸發器憑借其小型化優勢，有望發展為一種適應性強的海水淡化技術。界面太陽能驅動蒸發（ISDE）技術通過光熱界面局部熱能產生溫度梯度，從而實現持續高效水蒸發。在此過程中，水傳輸帶動離子運動和電荷分離而產生電勢，實現水伏發電。水伏發電機（HVG）在海水淡化和電能生產方面展現出巨大潛力。然而，現有HVG 技術受限于材料的單一潤濕性，難以同步實現高蒸發效率和高鹽阻效應，且其發電性能高度依賴環境光照條件，這嚴重制約了其應用推廣。

  相關研究以“Photothermal Responsive Aerogel-Hydrogel Binary System for Efficient Water Purification and All-weather Hydrovoltaic Generation”為題發表在《Advanced Materials》上，論文第一作者為東華大學碩士生明澤昌，通訊作者為熊佳慶研究員和周欣然副研究員，該工作得到國家自然科學基金等項目資助。

圖1. 全天候高能量輸出SHA-HVG設計與性能

  樹木木質部通過毛細作用和蒸騰拉力實現水分縱向高效運輸，同時內壁孔徑表面富含的負電荷官能團（如-COOH、-OH等），通過靜電吸附作用顯著促進了K?、Ca2?、Mg2?等礦質陽離子養分的吸收與轉運。受此啟發，作者提出光熱響應氣凝膠與陰離子水凝膠協同組裝策略，設計了一種可全天候輸水/發電的氣凝膠-水凝膠二元體系（SHA-HVG）。其中，石墨摻雜的PVDF氣凝膠（G-PVDF）具有高光熱效應和低熱導率，作為光熱活性框架提供垂直熱梯度，實現高效界面太陽能蒸發（ISDE）。通過自適應真空滲入-原位聚合策略，在G-PVDF孔道中引入磺酸化PNIPAM水凝膠（S-PNIPAM），形成垂直親-疏水梯度：底部親水促進自發吸水，頂部疏水促進蒸發并減少熱擴散，模擬植物蒸騰作用實現持續攝水、輸水和水蒸發。這種協同設計使SHA-HVG對模擬海水的凈化效率達到2.75 kg·m?2·h?1，較單一氣凝膠器件（A-HVG）提升300%。同時，磺酸化S-PNIPAM水凝膠可限制水中陰離子遷移、形成高密度雙電層（EDL）和離子濃度梯度，顯著增強離子電流輸出，實現56.86 μW·cm?2的峰值功率密度，較A-HVG提升2669%。器件在黑暗環境中仍能維持離子傳輸，實現全天候穩定發電（24小時連續穩定電壓與電流輸出）。與現有HVG器件相比，SHA-HVG在蒸發效率、功率密度、可重復激活性、可回收性和夜間發電能力方面均表現出優越性，且具有成本優勢，有望推動高效海水淡化和分布式清潔能源技術發展，為智能生態農業等應用提供新思路（圖1）。

圖2. SHA的制備和表征

  作者提出單向冷凍-低溫相交換-真空滲入-原位聚合的系統化成型策略，有效解決了在疏水氣凝膠孔道中均勻引入水凝膠填料的難題，制備的SHA二元材料具有 G-PVDF 氣凝膠定向孔道結構和自適應填充S-PNIPAM 水凝膠。水凝膠填充有效增加了材料比表面積，提升了材料光吸收效率（84.16%，顯著高于G-PVDF的58.22%和純PVDF的4.91%）；得益于水凝膠對氣凝膠孔道的支撐作用，SHA顯示出增強的壓縮強度（80%應變下407 kPa），較G-PVDF（141 kPa）提升288%，可承受自身重量1600倍的負載；此外，疏水氣凝膠框架可有效保護水凝膠填料免于脫水和脫落，使SHA在極端水流沖刷和溫度循環刺激下仍保持孔道結構和界面穩定性，保障了長期水蒸發和發電可靠性（圖2）。

圖3. SHA-HVG太陽能海水淡化和水凈化性能

  G-PVDF 氣凝膠賦予了SHA優異的光熱轉換能力和低導熱系數（0.075 W m^-1 K^-1），在1.0 sun光照下可形成高達43.6 ℃的垂直溫度梯度；S-PNIPAM水凝膠的熱響應潤濕性（高溫疏水、低溫親水）則賦予SHA 垂直方向潤濕性梯度，這種溫度-潤濕性雙梯度耦合效應賦予材料“蒸發驅動負壓-自主泵水補水-動態水合平衡”協同機制，確保持續吸水、泵水和水蒸發，實現1.0 sun 光照下 2.75 kg m^-1 h^-1的蒸發速率。S-PNIPAM水凝膠通過限制陰離子傳輸賦予了SHA-HVG鹽結晶抑制能力，器件在3.5 wt% NaCl溶液（模擬海水）中可穩定運行100小時無性能衰減。同時，SHA蒸發器可將高鹽（10⁵ mg L^-1）水樣凈化至10¹ mg L^-1級（飲用級），并在pH=1-13極端條件下保持較穩定蒸發速率（2.04-2.69 kg·m^-2·h^-1），且能將強酸或強堿溶液中和至pH=6.8±0.3。此外，SHA也可淡化染料、乳酸和尿素等多樣化污染物水樣，展現出在海水淡化、工業廢水處理和生物醫學透析等領域的應用可能性(圖3)。

圖4. SHA-HVG水伏發電機理及性能

  通過在G-PVDF氣凝膠中預置兩個特定間距的銅泡沫電極，經S-PNIPAM前驅體真空滲入及原位聚合，可一體化制備SHA-HVG器件。在水分傳輸與蒸發過程中，具有電負性特征的SHA-HVG吸引相反電荷的離子形成雙電層（EDL）。其中，PVDF框架與磺酸化S-PNIPAM水凝膠共同拓寬了Stern層，有效抑制陰離子遷移并促進陽離子向上傳輸，從而放大上下電極間電勢差。在1.0 sun光照下，SHA-HVG開路電壓（V_OC）穩定至312 mV，短路電流（I_SC）達200 μA cm?2，峰值功率密度為56.86 μW·cm?2（負載300 Ω），較單一氣凝膠器件（A-HVG）提升2669%。得益于磺酸基團持續驅動離子梯度與內部電場的動態平衡，SHA-HVG在黑暗環境中仍可維持高效發電能力（319 mV）。此外，S-PNIPAM還可通過調控水分子狀態（結合水、中間水、自由水）優化蒸發過程：中間水需較少能量即可蒸發，提升蒸發速率；自由水在中間水耗盡時擴散補充，維持離子遷移連續性。這種協同工作機制使SHA-HVG在交替光照與黑暗條件下可實現24小時連續穩定發電。SHA-HVG還具備再激活性與可回收性，其脫水-吸水再激活后V_OC提升至398 mV，經溶解再生后可充分暴露活性組分和基團，進一步提升V_OC至415 mV。這種可循環/再生特性降低了器件維護成本，結合其高功率密度與全天候發電能力，該器件在分布式清潔能源領域展現出廣闊應用前景（圖4）。

圖5. 可擴展SHA-HVG陣列用于水上智能農業系統

  通過串聯或并聯多個SHA-HVG單元可構建陣列式發電體系，顯著提升功率輸出。例如，五個串聯單元可在1.2秒內將470 μF電容器充電至1.45 V，展現了其作為低功耗電子設備電源的可能性。此外，通過巧妙電路連接設計，SHA-HVG可構建高靈敏光強度檢測平臺和水位監測平臺，為自能量環境監測系統構建提供了可能。SHA-HVG還展示了構建自維持生態系統的潛力，實現了一種集水凈化、自灌溉、發電與自能量傳感監測功能于一體的水上溫室系統。其中，SHA-HVG陣列通過界面蒸發改善溫室內溫濕度環境，水蒸氣于屋頂冷凝后可自動灌溉土壤，促進植物發芽和生長；同時，系統可全天候產生電能，持續驅動農業傳感器，實現土壤肥度、溫室溫度、濕度和光照的持續監測。這一自維持生態系統不僅為植物生長自維持和狀態自監測提供了可能性，也為可持續沿海農業提供了啟發性策略，有望推動海洋資源高效利用和智能生態系統的發展。

  本文通過在疏水光熱氣凝膠中引入潤濕性可調的水凝膠作為第二相，開發了一種氣凝膠-水凝膠二元活性材料，實現了兼顧高效水淡化和全天候高效發電的水伏發電體系。該體系依托獨特的二元材料設計、高化學穩定性及高效界面光熱效應，實現了垂直溫度/潤濕性雙梯度耦合與內部電場協同作用，有效促進水分傳輸并抑制鹽分積累，展示出高達2.75 kg·m?2·h?1的水分蒸發效率，和長達100小時的穩定運行能力。此外，陰離子水凝膠賦予體系離子選擇性分離能力、離子濃度梯度及電勢差放大機制，使其在黑暗環境中仍可維持56.86 μW·cm?2的高功率輸出。基于再激活特性與循環再生優勢，該材料體系成功實現了能效性與經濟性的協同優化，有望為可持續能源（如分布式電源）、環境自監測、智能沿海農業及物聯網等領域提供創新解決方案，也為極端環境下自維持生態系統的構建和發展提供有效策略。

  文章信息：Z Ming, J Zhang, W Li, S Wang, Y Zhang, Z Lu, T Zhang, Z Zhou, Y Xia, Y Zhang,X Zhou*, J Xiong*, Photothermal-Responsive Aerogel-Hydrogel Binary System for Efficient Water Purification and All-Weather Hydrovoltaic Generation, Advanced Materials, 2025, DOI: 10.1002/adma.202501809

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202501809

  課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing