青岛大学《自然 · 通讯》: 超低密度刚性网络水凝胶助力太阳能海水淡化实现超快稳定产水

全球淡水短缺危机日益严峻，约 40 亿人正面临水资源匮乏的困境。尽管国际社会已付出诸多努力，但距离实现联合国可持续发展目标第六项—— " 确保人人享有清洁饮用水 " 仍有显著差距。传统的多级闪蒸、多效蒸馏及反渗透等水净化技术，因能耗巨大、基础设施复杂、成本高昂，在欠发达地区难以大规模推广。在此背景下，界面太阳能蒸汽生成技术因其通过光热材料将热量局域在蒸发界面，展现出高效、可持续的产水潜力，成为缓解淡水危机的热点研究方向。然而，现有水凝胶基太阳能蒸发器受限于内部水传输能力，在高强度太阳光照下性能急剧下降，稳定性差，严重阻碍了其实用化进程。

针对上述挑战，青岛大学隋坤艳教授、范汶鑫副教授和德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授合作开发了一种超低密度刚性网络水凝胶材料，该研究通过创新的网络工程设计，成功打破了传统水凝胶在高光强下水传输速率受限的瓶颈。实验表明，这种超低密度刚性网络水凝胶在 10 倍太阳光强下可实现高达 25.57 千克每平方米每小时的蒸发速率，并在 100 小时连续运行中保持稳定。在户外实际测试中，一套低成本系统每天每平方米可生产 138 升淡水，展示了其解决偏远及欠发达地区分散式供水的巨大潜力。相关论文以 "Ultralow-density rigid network hydrogels enable ultrafast and stable solar water desalination" 为题，发表在 Nature Communications 上。

图 1. 不同水凝胶基太阳能蒸发器在水蒸发过程中的水传输机制示意图。

研究人员利用海藻酸钠与低分子量壳聚糖通过简单的反应扩散方法，成功合成了超低密度刚性网络水凝胶。通过扫描电镜图像（图 2c）可以看出，该水凝胶具有高度互连的多孔结构，这种结构有利于蒸发过程中的水分传输。随着海藻酸钠浓度从 0.25% 增加至 1%，水凝胶的饱和水含量从 96.96% 逐渐下降至 92.26%（图 2d）。其中，网络密度最低的 ULR-1 水凝胶在 1 倍太阳光强下表现出 2.67 千克每平方米每小时的优异蒸发速率和 93.3% 的高能量转换效率（图 2e）。尤为关键的是，ULR-1 水凝胶在 10 倍太阳光强照射下，不仅能维持原始形态，更实现了约 25.57 千克每平方米每小时的超高速率（图 2f，g）；相比之下，常规聚丙烯酰胺 / 聚吡咯水凝胶在 6 倍太阳光强以上即发生严重变形，完全失效。此外，ULR-1 水凝胶在 100 小时连续运行中展现出卓越的稳定性（图 2h），其综合性能远超已报道的代表性工作（图 2i）。

图 2. ULR 水凝胶的制备、表征及太阳能蒸汽生成性能。 a ULR 水凝胶的合成过程及照片。 b ULR 大尺寸水凝胶的照片。 c ULR-1 水凝胶横截面形貌的扫描电镜图像。插图为该区域放大视图。 d 不同海藻酸钠浓度的 ULR 水凝胶的水含量。 e 不同 ULR 水凝胶基蒸发器的蒸发速率和能量效率。 f ULR-1 水凝胶基蒸发器和普通水凝胶基蒸发器在不同太阳光强下的蒸发速率。红色 × 标记表示常规水凝胶蒸发器在光照强度超过 6 倍太阳光强时运行失败。 g ULR-1 水凝胶和普通水凝胶在 10 倍太阳光强照射前后的形貌变化。 h ULR-1 水凝胶基蒸发器在 10 倍太阳光强下连续 100 小时太阳能海水淡化的耐久性测试。插图：ULR-1 水凝胶基蒸发器在第 1 小时和第 100 小时蒸发的质量曲线。 i 不同太阳光强下已报道的代表性工作的蒸发速率比较。图 d-f 中误差棒：标准差。

为了揭示超低密度刚性网络水凝胶在高光强下的优异性能机制，研究团队依据 Flory-Rehner 理论进行了模拟分析。模拟结果显示（图 3a，b），蒸发过程中水凝胶内部从非光照侧到光照侧形成聚合物链密度梯度，即渗透压梯度，该梯度驱动水从低光照区域向高光照区域传输。实验与理论计算表明，超低初始聚合物链密度的 ULR 水凝胶能够实现更高的最大水传输速率，甚至超过了传统理论极限值（图 3c）。而常规水凝胶由于柔性聚合物链缺乏有效支撑，在强光下发生严重收缩，多孔结构被破坏（图 3g，图 3e）。扫描电镜图像清晰显示，ULR 水凝胶在 10 倍太阳光强照射后仍保留了良好的多孔结构（图 3f）。基于此，研究人员提出 ULR 水凝胶内部的 " 双驱动力 " 机制：底层主要依靠高渗透压梯度驱动，顶层则同时依靠渗透压梯度和毛细力共同作用（图 3h），从而实现了超快水传输。进一步的模拟还展示了水、盐及聚合物链密度在 ULR 水凝胶中的分布（图 3i-k），证实了其优异的水和盐分传输能力。

图 3. 聚焦太阳光下稳定太阳能蒸汽生成性能的机理。 a 用于水传输模拟的水凝胶基太阳能蒸发器示意图。 b 在不同水传输速率下，聚合物链密度随厚度位置的变化。 c 不同初始聚合物链密度的 ULR 水凝胶在厚度为 0.5 毫米时的实验与理论最大水传输速率。 d 不同初始聚合物链密度的普通水凝胶的实验与理论最大水传输速率。 e ULR 水凝胶和普通水凝胶在 10 倍太阳光强照射下的收缩率。 f, g ULR 水凝胶和普通水凝胶在 10 倍太阳光强照射后的扫描电镜图像。 h ULR 水凝胶内部实现快速水传输的双驱动力示意图。 i – k ULR 水凝胶中盐、水和聚合物链密度的模拟分布。

在实用化验证环节，研究团队搭建了一套包含菲涅尔透镜和三维楔形收集器的户外水蒸发与收集系统（图 4a）。在上午 8 点至下午 4 点的实地测试中，该系统实现了每天每平方米 138 升的超高淡水产量，总计收集到 12.42 升淡水，收集效率达到 69%（图 4b，c）。经净化的海水，钠、镁、钾、钙离子浓度均降至世界卫生组织饮用水标准以下（图 4d）。基于全球平均太阳辐射强度的技术经济分析表明，在吉布提等地区，该系统约 10 天即可达到与瓶装水相当的成本水平（图 4f）。该系统无需外部电网能源，仅利用太阳能即可被动产水，为缺乏基础设施的偏远及灾后地区提供了低碳、经济且可持续的清洁水解决方案。

图 4. 户外实际产水实验与分析。 a 太阳能海水淡化实验装置照片。 b 户外太阳能海水淡化期间，不同时段收集的淡水质量、户外太阳光强度、温度、对流强度及湿度。光斑面积约为 900 平方厘米。 c 上午 8 点至下午 4 点收集的淡水总量照片。 d 海水及经 10 倍太阳光强淡化后纯化水中四种主要离子的实测浓度。 e 长期平均太阳辐射强度的全球分布图。地图数据来源于 " 全球太阳能地图集 2.0"，该免费网络应用由 Solargis 公司代表世界银行集团开发运营，使用 Solargis 数据，并由能源部门管理协助计划提供资金。 f 我们系统的技术经济分析揭示了全球不同地区水价与运行时长之间的关系。

总结而言，该研究通过超低密度刚性网络设计，成功克服了传统水凝胶在蒸发过程中水传输速率的内在限制，将毛细力与渗透压梯度泵送机制相结合，实现了在强太阳光照下稳定且超快的太阳能产水。未来，进一步优化网络设计及水收集系统，有望在现实环境中提高产水效率和实用性。该方法不仅有望显著提升全球水安全和经济可持续性，让脆弱社区也能获得清洁饮用水，还可在从海水和工业卤水中提取有价值盐类和矿物质方面发挥广阔应用前景，为实现资源可持续回收和循环水管理开辟新路径。