全球水资源短缺和能源匮乏是当今人类社会面临的两大紧迫挑战。 界面太阳能蒸发器作为一种有前景的解决方案，能够通过其水伏机制实现太阳能驱动的分散式水净化与现场发电。通过在空气-水界面局域化光热转换，这类器件可最大限度减少向水体内部的热耗散，从而实现高效的海水淡化和废水修复。与此同时，蒸发诱导的纳米至微米限域通道内的定向离子通量能够建立稳定的离子梯度，进而通过水伏效应将其收集为电能。然而，尽管三维光热结构因其扩大的蒸发面积、全向光捕获能力和缩短的蒸汽扩散路径而备受关注，但大规模应用仍受限于昂贵材料和能耗密集的制备工艺。特别是传统上用于构建定向通道的冷冻干燥技术，需要高能耗的真空设备和漫长的处理时间，严重制约了其在资源匮乏地区的部署。

针对这一瓶颈，韩国全北大学Changwoo Nam与新加坡南洋理工大学吴荣辉合作团队开发了一种基于生物质来源、低成本且可规模化的磺化脱木质素生物质水凝胶（SSH）。 该材料通过盐析结构工程，集成了太阳能驱动的界面蒸发与水伏发电功能。研究团队以天然丰富的香蒲雌性花序为原料，经脱木质素和磺化修饰后，与LDH@MXene光热填料及聚乙烯醇复合，依据霍夫迈斯特效应进行盐析处理，形成了具有可调通道间距的稳定多孔结构。这一结构设计将热量局域在空气-水界面附近，同时促进定向水传输，实现了高效蒸发。此外，致密的富磺酸阴离子网络和增强的氢键基质促进了高效的质子跳跃，使器件在1个太阳光照下取得了784毫伏的开路电压和82.14微安的短路电流，并能在高浓度盐水中稳定运行12小时以上。相关论文以“Salting-Out Engineered Sulfonated Cellulosic Hydrogel with Proton Hopping Pathways for Integrated Water Purification and Electricity Generation”为题，发表在Advanced Materials上。

示意图 盐析工程化磺化脱木质素生物质基水凝胶阵列系统的示意图，其中（a）霍夫迈斯特效应驱动的微观结构稳定化在冻铸过程中保留了垂直排列的通道，使（b）太阳能驱动的界面蒸发用于淡水生产，同时支持（c）基于质子转化和跳跃的水流发电，最终（d）实现可扩展的户外部署与自供电环境感知。 

研究团队首先系统优化了磺化处理条件。傅里叶变换红外光谱和差示扫描量热分析表明，磺化处理60分钟得到的SDB_60样品具有最高的磺酸基团接枝密度，其结合水与非结合水的比例最佳，中间水含量最高。这种中间水的部分限域和动态有序环境能够维持界面电荷分离、稳定局部电势差，并支持水伏系统内的连续水传输。随后，研究团队创新性地采用柠檬酸钠盐析策略替代传统的冷冻干燥步骤来稳定定向冷冻铸造形成的垂直排列通道。如图1所示，盐析过程中柠檬酸根离子提取聚乙烯醇链水合层中的水分子，减少链迁移率并增强链间氢键交联，从而形成力学性能远优于传统冷冻干燥气凝胶的稳定水凝胶结构。在200克负载下SSH保持结构完整，而对照样品在卸载后即发生不可逆变形。更重要的是，SSH具有可逆的溶胀-收缩行为，干燥后可大幅缩减体积，再水化时完全恢复原始结构，极大便利了运输和重复使用。

图1 （a）盐析结构化的磺化脱木质素生物质基水凝胶的制备路径。（b）水凝胶中太阳能驱动的海水淡化和水流发电机制。（c）水凝胶和传统冻干结构磺化脱木质素生物质基气凝胶的力学性能对比。（d）水凝胶在环境干燥和再水化过程中的可逆形状转变。（e）水凝胶与传统冻干结构磺化脱木质素生物质基气凝胶的多功能性能指标雷达图对比。

水伏发电的机理依赖于双质子传输途径（图2）。一方面，磺酸基团作为固定阴离子锚点吸引水分子并促进质子解离，通过唐南介导的选择性建立质子富集环境；另一方面，盐析过程强化的氢键网络使质子能够通过格罗特斯机制在相邻水分子间以低能路径进行接力传输。然而，研究团队发现聚乙烯醇含量存在关键的最优窗口：含量过低（0.7 wt.%）时通道结构塌陷且氢键网络不连续，含量过高（3 wt.%）则导致通道过度致密化（孔径从35.14微米缩小至12.41微米），抑制水吸附和质子生成。优化后的SSH_1（1 wt.% PVA）在比表面积、水吸附容量、离子电导率和结构稳定性之间取得了最佳平衡，其开路电压和短路电流均显著高于其他样品。

图2 （a）示意图说明水凝胶中的双重质子传输机制：（i）磺酸基团锚点处的质子转化和（ii）氢键辅助的格罗特斯跳跃。（b）示意图说明不同聚乙烯醇浓度水凝胶的发电工作机制。（c）水凝胶的水吸附容量和比表面积。（d）水凝胶的离子电导率。（e）水凝胶的开路电压和短路电流。 

在动态光响应水伏行为研究中（图3），SSH展现出独特的阶段性特征。初始吸水阶段，毛细力和质子跳跃共同驱动质子向顶部区域快速迁移，形成陡峭的质子浓度梯度并产生高电压输出；达到吸附平衡后梯度逐渐缓解；光照下界面中间水优先蒸发，诱导质子向底部区域反向扩散，电压下降；关闭光照后，蒸发的中间水在表面得到补充，毛细流动和质子跳跃共同恢复质子梯度。在连续光照下，SSH的电压稳定在约436毫伏。此外，氯化钠的存在可通过唐南排斥效应增强离子梯度——带负电的通道壁有效阻碍氯离子迁移而允许钠离子和质子通过，且电压输出随氯化钠浓度增加而提升。在17 wt.%高浓度氯化钠溶液中连续运行12小时及在环境条件下储存三个月后连续运行50小时，器件均未出现盐沉积或性能衰减。

图3 （a）示意图显示水凝胶中蒸发驱动的水流发电机制。（b）开路电压和（d）短路电流在初始吸水、吸水平衡、光照和关光阶段的动态变化。（c）串联不同数量水凝胶单元时的开路电压输出。（e）连续光照下短路电流的稳态输出。（f）氯化钠存在下水凝胶中离子梯度增强的水流发电示意图。（g）开路电压对不同氯化钠浓度的依赖性。 

蒸发性能方面（图4），研究团队通过红外热成像和热局域化指数分析发现，低聚乙烯醇含量样品因较宽的通道导致显著的热损失到水体内部，而高聚乙烯醇含量样品通过盐析诱导的致密化有效抑制了垂直热耗散。差示扫描量热分析进一步表明，适量聚乙烯醇增加了中间水比例，有利于蒸发。但动态浸润实验显示，高聚乙烯醇含量样品的通道半径减小显著增加了流动阻力（拟合斜率从SSH_0.7的0.47降至SSH_3的0.17）。综合热质传递平衡，SSH_1实现了最高的蒸发速率（3.41 kg m⁻² h⁻¹），其性能在与其他先进界面太阳能蒸发器的对比中展现出显著竞争力，特别是考虑到其低能耗、可规模化的制备路线。

图4 （a）不同聚乙烯醇含量水凝胶的太阳能吸收光谱。（b）不同聚乙烯醇含量水凝胶的横截面扫描电镜图像（比例尺：50 μm）。（c）干态和（e）湿态下不同聚乙烯醇含量水凝胶的表面温度变化。（d）干态水凝胶的热局域化指数。（f）不同聚乙烯醇含量水凝胶的差示扫描量热分析曲线。（g）动态吸水实验中高度平方与时间的线性拟合。（h）1个太阳光照下不同聚乙烯醇含量水凝胶的蒸发速率。（i）水凝胶与近期报道的界面太阳能蒸发器的性能对比。 

在水净化能力方面（图5），SSH系统展现出了广谱的去污能力。离子色谱显示，海水中钠、钾、钙、镁离子浓度经处理后均降至世界卫生组织饮用水标准以下。重金属离子（铜、铁、钴）被高效去除至痕量水平。值得关注的是，即使在处理含三价铁离子的废水时，虽因电荷屏蔽效应导致开路电压在36小时内下降了14.2%，但通过氯化钠溶液简单冲洗即可完全恢复性能，且短路电流始终稳定。紫外-可见光谱表明甲基橙和亚甲基蓝的特征吸收峰在冷凝水中完全消失；傅里叶变换红外光谱和光学显微镜证实甲苯及油水乳液中的油滴被有效清除。对于含有聚丙烯、聚乙烯和聚苯乙烯微塑料的混合废水，处理后冷凝水的红外光谱中所有聚合物特征峰均消失，热重分析和质谱联用进一步确认了微塑料的完全去除。

图5 （a）水凝胶辅助太阳能净化机制示意图，针对无机、有机和颗粒污染物。（b）太阳能照射下蒸汽产生和冷凝的数字照片。（c）海水和净化淡水中的离子浓度（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）。（d）净化前后重金属离子（Cu²⁺、Fe³⁺、Co²⁺）的去除效率。（e）酸碱废水净化前后的照片，显示pH值已中和。（f）染料溶液（甲基橙、亚甲基蓝）净化前后的紫外-可见光谱。（g）甲苯、油/水乳液和净化水的傅里叶变换红外光谱。（h）含聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯的混合微塑料废水及相应净化水的傅里叶变换红外光谱。

研究团队进一步评估了系统的规模化潜力（图6）。通过制备3×3、4×4和5×5阵列并调节模块间距（S/D = 1.5、2.0、2.5），结合56个湿度传感器的多点监测发现，窄间距配置下模块间蒸汽羽流重叠导致湿度积聚和蒸发抑制，而宽间距（S/D = 2.5）配置则允许各模块独立释放蒸汽，增强对流空气交换。户外实验表明，在自然光照、温度、风速变化条件下，5×5阵列（S/D = 2.0）能够稳定运行，产生的电能足以驱动自供能环境传感器，而收集的净化水可持续供给植物生长。研究团队还利用基于Köppen-Geiger气候分类的机器学习预测模型，估算了SSH系统在全球不同气候区域的年度水蒸发和水伏性能。

图6 （a）不同间距的水凝胶阵列，突出窄间距和宽间距配置下的蒸发机制。（b）用于水凝胶阵列分析的多点湿度-电学测量系统数字图像。（c）3×3和5×5水凝胶阵列（间距/直径=2）运行60分钟后的湿度分布图。（d）不同阵列配置和间距/直径比下水凝胶运行60分钟后的归一化蒸发性能。（e）不同阵列配置和间距/直径比下水凝胶运行60分钟后的归一化水流发电性能。（f）户外水流发电-水净化系统的数字图像。（g）户外水流发电-净化系统的湿度分布图（5×5阵列，间距/直径=2，14:00）。（h）户外实验过程中的温度、辐照强度、风速和质量变化曲线。（i）在户外水流发电-水净化系统中培养的植物随时间生长的曲线。（j）代表性气候类型及选定城市的全球分布图（基于柯本-盖格尔气候分类）。（k）机器学习预测的不同气候区域水凝胶阵列的年均蒸发质量及归一化蒸发性能（当地时间12:00–13:00）。

综上所述，这项研究提供了一种基于生物质的、盐析调控的水凝胶平台，实现了高效质子能量收集、太阳能蒸发和水净化的一体化。 通过磺化、定向冷冻铸造和盐析稳定化的协同策略，该材料构建了致密的阴离子框架和氢键网络，促进了质子解离、界面水有序化和唐南介导的选择性离子传输。优化后的SSH器件在实际浓缩电解质和户外环境中均表现出长期运行稳定性。当扩展为阵列结构时，通过优化的空间配置和开放式结构设计，模块保持了耦合的水-能量转换效率。这一可持续、可规模化的材料体系为自供能的循环水-能源关键技术提供了一条切实可行的路径，尤其适用于资源匮乏地区的分散式清洁水生产和发电需求。

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