CEJ | 通过冷冻聚合实现高效太阳能界面蒸发的生物基海绵状多孔水凝胶

一

研究背景

全球淡水短缺已成为威胁人类可持续发展的重大挑战，据联合国数据，全球超20亿人面临水资源短缺困境。传统净水技术如反渗透、多级蒸馏等虽能实现水净化，但普遍存在高能耗、高运营成本（蒸馏法设备维护成本高昂）及二次污染（如浓盐水排放）等局限，在偏远地区或资源匮乏场景中难以广泛推广。
太阳能界面蒸发（SIE）技术因直接利用可再生太阳能驱动水蒸发，具有低能耗、环境友好、设备集成度高等优势，成为极具潜力的水净化与海水淡化策略。多孔水凝胶作为SIE蒸发器的核心基材，其亲水性三维网络结构可实现高效输水、保温锁热，并通过官能团作用降低水的蒸发焓（理论水蒸发焓为2257 J·g⁻¹），从而显著提升蒸发效率。
然而，传统多孔水凝胶制备技术（如冷冻干燥、模板法）存在诸多瓶颈：冷冻干燥需-50℃以下低温环境，能耗高达每千克水凝胶1.5-3 kWh；模板法流程复杂且模板易残留，导致材料可调性有限。这些问题严重制约了多孔水凝胶基SIE蒸发器的规模化应用，因此开发高效、低成本、可规模化的多孔水凝胶制备方案成为该领域的迫切需求。相关工作以Bio-based sponge-like porous hydrogels via cryo-polymerization for efficient solar interfacial evaporation为题发表在《Chemical Engineering Journal》期刊。（JCR一区, 中科院一区TOP, IF=13.2）

二

研究内容

本文以聚氨酯（PU）海绵为模型基底，聚焦孔隙性能与润湿性对太阳能驱动蒸发及盐结晶的协同作用机制展开系统研究。为深入探究这一科学问题，研究团队通过调节聚乙烯醇（PVA）浓度（1%、2%、3%）精准调控PU海绵的孔径范围（100-300 μm），同时分别借助聚吡咯（PPy）氧化聚合改性实现超亲水性、聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层改性实现超疏水性，最终制备出涵盖5种孔径类型与3种润湿类型的15种差异化样品。
在材料表征环节，采用扫描电子显微镜（SEM）分析PPy纳米粒子在PU海绵骨架表面的附着形态及PDMS涂层引发的表面形貌变化，结果显示PPy颗粒牢固附着后形成粗糙纹理，原始PU海绵呈现140-300 μm的互连开放多孔结构，为光热水分蒸发和毛细水分传输提供了结构基础；通过压汞测试明确掺杂不同浓度PVA的PU海绵孔径集中于100-300 μm且呈分级分布（双峰或宽峰），结合水接触角测试量化润湿性差异——PPy改性海绵因吡咯氧化聚合赋予的超亲水性，水滴可在12 ms内完全渗透，PDMS改性海绵接触角达150°-155°，表现出典型超疏水特性。
在性能测试维度，开展室内太阳能驱动界面蒸发实验，系统对比不同孔径、润湿性组合下PU海绵的蒸发速率，其中超亲水性PU60@P3-Q海绵（平均孔径144 μm）实现3.29 kg m⁻² h⁻¹的最高蒸发速率，是大孔径未改性样品PU50-Q（287 μm）的两倍，且超亲水改性样品蒸发速率显著优于未改性和超疏水改性样品，同时呈现“孔径越小蒸发速率越高”的规律；设计半浸泡盐结晶实验，观测到PU60@P1-Q的盐结晶高度达4.8 cm，显著高于PU60-Q（4.0 cm）和PU50-Q（3.8 cm），而超疏水样品PU60@P3-S因水渗透受限仅形成2.3 cm结晶高度，结合有限元模拟构建的传质模型，揭示“毛细作用与蒸发速率的动态平衡控制盐在海绵表面的分布”这一机制——超亲水材料加速盐向蒸发界面迁移，超疏水材料则减缓该过程。
为验证技术实用性，开展大型PU海绵室外中试试验，在自然光照条件下，大面积PU海绵在8小时内实现7.5 kg m⁻²的淡水产量，且经经济成本核算，其单位面积淡水生产成本处于1.12-4.54 USD m⁻²区间，证明了该技术良好的经济可行性。

三

研究数据

图1.（a）CAFS水凝胶制备流程图。（b）CAFS水凝胶冷冻聚合示意图。

图2.（a）CAFS-3表面的SEM图像，（b）CAFS-3局部扩大表面的SEM，（c）CAFS-3横截面的SEM图像，（d）CAFS-3底面的SEM图像。（e）CAFS-3表面的EDS图像。（f）CAF和CAFS的XPS光谱图像。（g）CAFS-3的XRD图谱。（h）CAF、PAA、CS、CF的FTIR图像。

图3.（a） CAF-3和CAFS-3的紫外-可见-近红外光谱。（b） 模拟阳光强度为1 kW m时CAFS在不同时间的温度分布−2.（c） CAFS 在 1.0 模拟阳光强度下的温度与时间的关系。（d）CAFS-3蒸发器的输水能力。（e）不同CAFS水凝胶的含水量。（f）CAFS-3不同时刻的接触角图像。（g）不同CAFS水凝胶（干态）在80%压缩下的压缩曲线。（h）不同CAFS水凝胶（湿态）在80%压缩下的压缩曲线。（i） CAFS-3 压缩和弯曲的图像。

图4.（a）CAFS蒸发器的光学图片。（b）1.0阳光强度下CAFS蒸发器的质量损失和蒸发速率（c）温度变化曲线，（d）DSC曲线，（e）暗蒸发速率。（f）质量变化和蒸发速率，（g）不同模拟阳光强度1 h下CAFS蒸发器的温度变化曲线。（h） CAFS 蒸发器在 1.0 阳光强度下十个循环的蒸发率，（i） 与其他人的工作比较。

图5.（a）CAFS蒸发器在1.0太阳光强度下不同浓度NaCl溶液中的质量损失和蒸发速率。（b）CAFS-3在3.5 wt%的NaCl溶液中在1.0光强度下蒸发10次的循环稳定性。（c）蒸发器上盐溶解的照片。（d）在1.0阳光强度下不同浓度MB溶液中CAFS蒸发器的质量损失和蒸发速率。（e）染料吸附-光催化过程中CAFS蒸发器的浓度变化。（f）CAFS-3在纯水、3.5 wt% NaCl溶液和50 mg L中的蒸发稳定性−1亚甲蓝溶液长期使用。

图6.（a） 户外蒸发过程的照片。（b）

17：30–17：30光强的变化和蒸发收集装置中蒸发速率的变化。（c）蒸发前后染料的紫外-可见吸收光谱。（d） 四种主要离子（

Na+、K+、Mg2+、Ca2+）在海水淡化前后的水中。

四

研究结论

本研究通过冷冻聚合策略成功制备了具有高度互连毛细管通道的海绵状CS/PAA/CF复合水凝胶。与传统的冷冻干燥方法相比，这种方法消除了对复杂设备和交联后步骤的需求，从而显着降低了能耗和工艺复杂性。通过将多孔水凝胶交替浸入CuSO₄和Na₂S溶液中，纳米级CuS作为一种高效的光热材料原位沉积在水凝胶表面，从而能够构建基于多孔水凝胶的太阳能界面蒸发器。由于其连续的 3D 多孔结构，由此产生的蒸发器表现出出色的水传输能力和机械弹性。此外，水凝胶基质内丰富的亲水官能团有效激活水分子，显著降低蒸发焓，最小等效蒸发焓低至1214 J·g−1。在1kW·m−2以下模拟太阳照射，蒸发器实现了在纯水中2.79 kg·m−2·h−1的高蒸发速率和在 3.5 wt% 盐水溶液中2.40 kg·m−2·h−1的蒸发速率。值得注意的是，该装置在循环和长期蒸发测试中都保持了出色的性能稳定性。此外，它对废水中的染料表现出了良好的光催化降解能力，进一步扩大了其在环境修复中的应用潜力。这项工作证明了冷冻聚合在构建基于多孔水凝胶的太阳能界面蒸发器方面的有效性和可行性，为太阳能驱动的水净化和海水淡化提供了一种低能耗、可扩展和可持续的策略。

五

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167670

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