东北地理所与清华大学联合研发新型水凝胶，实现高效太阳能海水淡化
东北地理所与清华大学联合研发新型水凝胶，实现高效太阳能海水淡化
【研究背景】
太阳能水蒸发是一种有前景的从海水或废水中生产清洁水的技术。近期，一些研究者通过增强马兰戈尼效应、构建分级结构和调整供水策略等方法，显著提高了蒸发器的耐盐性，但蒸发速率的提升仍然有限。因此，亟需开发新的材料系统，以实现耐盐性和蒸发速率的同步提高。
为此，东北地理所水环境污染与防治研究团队与清华大学曲良体团队合作开发了一种具有分级结构的双网络水凝胶（DNH），该水凝胶通过多机制协同交联工艺制备，具有高蒸发速率、超耐盐性和优异的防污性能。分级多孔结构的形成不仅优化了蒸发表面的连续供水，还增强了光吸收。通过调节水凝胶网络中酰胺基团的数量，使DNH中的IW/FW比达到1.28，实现了高效的水活化，从而显著降低了蒸发焓。因此，DNH在1个太阳下实现了4.0 kg m-2 h-1的蒸发速率和92.7%的能量效率。在光热蒸发过程中，DNH中两种通道（分为6080 μm和912 μm两个级别）之间不同的水传输速率产生了横向盐浓度梯度，促进盐离子从通道之间的小孔水平扩散到大通道中的低浓度溶液中，然后向下扩散并回流到散装水。此外，DNH富含亲水性官能团（-OH和-CONH2），促进离子扩散平衡。这种双重作用使得DNH即使在高浓度盐水（25 wt% NaCl溶液）中连续蒸发12 h后，也能保持与纯水相同的蒸发速率。此外，DNH还通过水膜屏障效应实现了优异的防污能力，极大地拓展了其潜在应用。
【图文摘要】
双网络水凝胶（DNH）具有交替排列的分级孔隙结构，可增强蒸发表面的供水，提高光吸收率，同时实现高效的水活化。在一个太阳下实现了4.0 kg m-2 h-1的蒸发速率，并在25 wt%的海水中表现出卓越的耐盐性，使DNH成为可持续水资源的有前景的解决方案。
图1. 基于DNH的太阳能蒸汽生成（SVG）示意图。DNH凝胶的分级结构由6080 μm和912 μm两种级别的毛细管通道交替分布组成，这不仅增强了水传输和光吸收，更重要的是实现了超耐盐性。通过精心调控水凝胶网络中的酰胺基团，改变了水状态，实现了高效的水活化，显著降低了蒸发焓。因此，DNH在蒸发性能和耐盐性上实现了显著的同步提升。
图2. DNH的表征。(a)分级结构杂化水凝胶制备过程示意图。(b)一张制备的DNH照片（10 cm×10 cm）。(c, d)不同放大倍数下DNH横截面的SEM图像，突出了分级多孔结构内两种尺寸孔道的均匀交替分布(c)，其直径分别为6080 μm和912 μm (d)。(e)DNH纵向剖面图，突出显示了大孔径竖直通道。(f)PVA、PAM、CBNPs和DNH的FTIR光谱。(g)PVA和DNH的XPS光谱。(h)PVA/CNBPs和DNH的储能模量(G′)和损耗模量(G′′)。(i, j)DNH的压缩应力-应变曲线(i)和拉伸应力-应力曲线(j)。
图3. 完全膨胀的DNH中的水状态和蒸发焓。(a)DNH1DNH5的饱和含水量。(b, c)纯水(b)和完全溶胀的DNH4 (c)的拉曼光谱。(d)聚合物网络中BW、IW和FW的分布。(e)DSC拟合曲线，橙色曲线表示IW的熔融峰，蓝色曲线表示FW的熔融峰。（f）DNH1DNH5的 IW/FW比和结合水含量。(g) 黑暗条件下mg与m0的比值。(h)蒸发焓测量过程中的DSC热图。(i) 纯水和DNH1~DNH5的蒸发焓和暗蒸发速率。
图 4. SVG 过程中 DNH 中的水状态和蒸发焓。(a) 蒸发速率测量系统示意图。(b) SVG 过程中 DNH4 上表面水膜随时间的变化。(c) SVG 过程中（轻微脱水）DNH4 在第 0、5、30和60 min的拉曼光谱和相应的拟合曲线。(d) SVG 期间不同时间点 DNH4 的含水量和相应的 IW/FW 比。(e) 不同含水量 DNH4 的热图。(f) SVG 期间第 0 min（91.6 wt%）、第 5 min（90.1 wt%）、第 30 min（88.8 wt%）和第 60 min（88.8 wt%）DNH4 的蒸发焓。
图 5. DNHs 的水传输、光热行为和蒸发特性。 (a) FD-DNHs 和 HD-DNHs 的半膨胀时间和水传输速率。(b) DNH1DNH5 在整个太阳光谱（2502500 nm）上的吸收光谱。 (c) 不同厚度 DNH4 薄片的透射光谱。(d) DNH1DNH5 蒸发表面和散装水的温度随时间的变化。 (e)基于DNH4 的蒸发系统在1个太阳下不同时刻的温度分布。(f) 冷冻干燥和加热干燥的DNH4 的光吸收率。(g) 纯水和DNH1DNH5随时间的质量损失。(h) DNH1~DNH5 的 蒸发速率和能量效率。
图 6. DNH 的耐盐性。 (a)不同盐度人工海水中DNH的蒸发速率；(b)太阳能脱盐过程中, DNH4在10 wt% NaCl溶液中的循环稳定性；(c)DNH在天然海水淡化过程中的耐久性；(d)太阳能海水淡化过程中不同时刻DNH蒸发表面的盐分积累；(e) DNH在天然海水太阳能脱盐过程中的循环稳定性；(f) DNH的自清洁实验；(g) SVG过程中DNH的耐盐机理图；(h) DNH与最近报道的其他耐盐蒸发器的综合性能比较。
图 7. 基于 DNH 的太阳能水净化。 (a)DNH4在重金属废水中的稳定性评价；(b)DNH4在苏打盐碱水中的稳定性评价；(c) 清洁水收集装置；(d)海水淡化前后主要离子浓度；(e)基于DNH4的太阳能水净化的除菌性能；(f)DNH4耐油污实验；(g) DNH防油污机理图。
这项研究以“Hierarchically Structured Hydrogels for Rapid Solar Vapor Generation with Super Resistance to Salt”为题发表在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上（中科院一区，Top，IF 2023=18.5）。文章通讯作者为东北地理所祝惠研究员和清华大学曲良体教授，第一作者为中国科学院东北地理与农业生态研究所博士生王斌。
论文信息及链接如下：
Bin Wang, Huhu Cheng, Hui Zhu*, Liangti Qu*. Hierarchically structured hydrogels for rapid solar vapor generation with super resistance to salt. Advanced Functional Materials, 2025, 2500459.