伴随人类社会高速发展，淡水资源短缺逐渐成为全球性问题。海水作为地球上最大体量水资源，被认为是最具潜力的淡水潜在来源。然而，传统的海水淡化设备体积庞大、能耗高且难以适应不同场景需求。太阳能驱动的水蒸发器凭借其小型化优势，有望发展为一种适应性强的海水淡化技术。界面太阳能驱动蒸发（ISDE）技术通过光热界面局部热能产生温度梯度，从而实现持续高效水蒸发。在此过程中，水传输带动离子运动和电荷分离而产生电势，实现水伏发电。水伏发电机（HVG）在海水淡化和电能生产方面展现出巨大潜力。然而，现有HVG 技术受限于材料的单一润湿性，难以同步实现高蒸发效率和高盐阻效应，且其发电性能高度依赖环境光照条件，这严重制约了其应用推广。

  相关研究以“Photothermal Responsive Aerogel-Hydrogel Binary System for Efficient Water Purification and All-weather Hydrovoltaic Generation”为题发表在《Advanced Materials》上，论文第一作者为东华大学硕士生明泽昌，通讯作者为熊佳庆研究员和周欣然副研究员，该工作得到国家自然科学基金等项目资助。

图1. 全天候高能量输出SHA-HVG设计与性能

  树木木质部通过毛细作用和蒸腾拉力实现水分纵向高效运输，同时内壁孔径表面富含的负电荷官能团（如-COOH、-OH等），通过静电吸附作用显著促进了K?、Ca2?、Mg2?等矿质阳离子养分的吸收与转运。受此启发，作者提出光热响应气凝胶与阴离子水凝胶协同组装策略，设计了一种可全天候输水/发电的气凝胶-水凝胶二元体系（SHA-HVG）。其中，石墨掺杂的PVDF气凝胶（G-PVDF）具有高光热效应和低热导率，作为光热活性框架提供垂直热梯度，实现高效界面太阳能蒸发（ISDE）。通过自适应真空渗入-原位聚合策略，在G-PVDF孔道中引入磺酸化PNIPAM水凝胶（S-PNIPAM），形成垂直亲-疏水梯度：底部亲水促进自发吸水，顶部疏水促进蒸发并减少热扩散，模拟植物蒸腾作用实现持续摄水、输水和水蒸发。这种协同设计使SHA-HVG对模拟海水的净化效率达到2.75 kg·m?2·h?1，较单一气凝胶器件（A-HVG）提升300%。同时，磺酸化S-PNIPAM水凝胶可限制水中阴离子迁移、形成高密度双电层（EDL）和离子浓度梯度，显著增强离子电流输出，实现56.86 μW·cm?2的峰值功率密度，较A-HVG提升2669%。器件在黑暗环境中仍能维持离子传输，实现全天候稳定发电（24小时连续稳定电压与电流输出）。与现有HVG器件相比，SHA-HVG在蒸发效率、功率密度、可重复激活性、可回收性和夜间发电能力方面均表现出优越性，且具有成本优势，有望推动高效海水淡化和分布式清洁能源技术发展，为智能生态农业等应用提供新思路（图1）。

图2. SHA的制备和表征

  作者提出单向冷冻-低温相交换-真空渗入-原位聚合的系统化成型策略，有效解决了在疏水气凝胶孔道中均匀引入水凝胶填料的难题，制备的SHA二元材料具有 G-PVDF 气凝胶定向孔道结构和自适应填充S-PNIPAM 水凝胶。水凝胶填充有效增加了材料比表面积，提升了材料光吸收效率（84.16%，显著高于G-PVDF的58.22%和纯PVDF的4.91%）；得益于水凝胶对气凝胶孔道的支撑作用，SHA显示出增强的压缩强度（80%应变下407 kPa），较G-PVDF（141 kPa）提升288%，可承受自身重量1600倍的负载；此外，疏水气凝胶框架可有效保护水凝胶填料免于脱水和脱落，使SHA在极端水流冲刷和温度循环刺激下仍保持孔道结构和界面稳定性，保障了长期水蒸发和发电可靠性（图2）。

图3. SHA-HVG太阳能海水淡化和水净化性能

  G-PVDF 气凝胶赋予了SHA优异的光热转换能力和低导热系数（0.075 W m^-1 K^-1），在1.0 sun光照下可形成高达43.6 ℃的垂直温度梯度；S-PNIPAM水凝胶的热响应润湿性（高温疏水、低温亲水）则赋予SHA 垂直方向润湿性梯度，这种温度-润湿性双梯度耦合效应赋予材料“蒸发驱动负压-自主泵水补水-动态水合平衡”协同机制，确保持续吸水、泵水和水蒸发，实现1.0 sun 光照下 2.75 kg m^-1 h^-1的蒸发速率。S-PNIPAM水凝胶通过限制阴离子传输赋予了SHA-HVG盐结晶抑制能力，器件在3.5 wt% NaCl溶液（模拟海水）中可稳定运行100小时无性能衰减。同时，SHA蒸发器可将高盐（10⁵ mg L^-1）水样净化至10¹ mg L^-1级（饮用级），并在pH=1-13极端条件下保持较稳定蒸发速率（2.04-2.69 kg·m^-2·h^-1），且能将强酸或强碱溶液中和至pH=6.8±0.3。此外，SHA也可淡化染料、乳酸和尿素等多样化污染物水样，展现出在海水淡化、工业废水处理和生物医学透析等领域的应用可能性(图3)。

图4. SHA-HVG水伏发电机理及性能

  通过在G-PVDF气凝胶中预置两个特定间距的铜泡沫电极，经S-PNIPAM前驱体真空渗入及原位聚合，可一体化制备SHA-HVG器件。在水分传输与蒸发过程中，具有电负性特征的SHA-HVG吸引相反电荷的离子形成双电层（EDL）。其中，PVDF框架与磺酸化S-PNIPAM水凝胶共同拓宽了Stern层，有效抑制阴离子迁移并促进阳离子向上传输，从而放大上下电极间电势差。在1.0 sun光照下，SHA-HVG开路电压（V_OC）稳定至312 mV，短路电流（I_SC）达200 μA cm?2，峰值功率密度为56.86 μW·cm?2（负载300 Ω），较单一气凝胶器件（A-HVG）提升2669%。得益于磺酸基团持续驱动离子梯度与内部电场的动态平衡，SHA-HVG在黑暗环境中仍可维持高效发电能力（319 mV）。此外，S-PNIPAM还可通过调控水分子状态（结合水、中间水、自由水）优化蒸发过程：中间水需较少能量即可蒸发，提升蒸发速率；自由水在中间水耗尽时扩散补充，维持离子迁移连续性。这种协同工作机制使SHA-HVG在交替光照与黑暗条件下可实现24小时连续稳定发电。SHA-HVG还具备再激活性与可回收性，其脱水-吸水再激活后V_OC提升至398 mV，经溶解再生后可充分暴露活性组分和基团，进一步提升V_OC至415 mV。这种可循环/再生特性降低了器件维护成本，结合其高功率密度与全天候发电能力，该器件在分布式清洁能源领域展现出广阔应用前景（图4）。

图5. 可扩展SHA-HVG阵列用于水上智能农业系统

  通过串联或并联多个SHA-HVG单元可构建阵列式发电体系，显著提升功率输出。例如，五个串联单元可在1.2秒内将470 μF电容器充电至1.45 V，展现了其作为低功耗电子设备电源的可能性。此外，通过巧妙电路连接设计，SHA-HVG可构建高灵敏光强度检测平台和水位监测平台，为自能量环境监测系统构建提供了可能。SHA-HVG还展示了构建自维持生态系统的潜力，实现了一种集水净化、自灌溉、发电与自能量传感监测功能于一体的水上温室系统。其中，SHA-HVG阵列通过界面蒸发改善温室内温湿度环境，水蒸气于屋顶冷凝后可自动灌溉土壤，促进植物发芽和生长；同时，系统可全天候产生电能，持续驱动农业传感器，实现土壤肥度、温室温度、湿度和光照的持续监测。这一自维持生态系统不仅为植物生长自维持和状态自监测提供了可能性，也为可持续沿海农业提供了启发性策略，有望推动海洋资源高效利用和智能生态系统的发展。

  本文通过在疏水光热气凝胶中引入润湿性可调的水凝胶作为第二相，开发了一种气凝胶-水凝胶二元活性材料，实现了兼顾高效水淡化和全天候高效发电的水伏发电体系。该体系依托独特的二元材料设计、高化学稳定性及高效界面光热效应，实现了垂直温度/润湿性双梯度耦合与内部电场协同作用，有效促进水分传输并抑制盐分积累，展示出高达2.75 kg·m?2·h?1的水分蒸发效率，和长达100小时的稳定运行能力。此外，阴离子水凝胶赋予体系离子选择性分离能力、离子浓度梯度及电势差放大机制，使其在黑暗环境中仍可维持56.86 μW·cm?2的高功率输出。基于再激活特性与循环再生优势，该材料体系成功实现了能效性与经济性的协同优化，有望为可持续能源（如分布式电源）、环境自监测、智能沿海农业及物联网等领域提供创新解决方案，也为极端环境下自维持生态系统的构建和发展提供有效策略。

  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

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202501809

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