Renewable Energy|柔性水凝胶增强生物质丝瓜络用于高效太阳能驱动界面蒸发

研究背景

全球水资源短缺与能源危机是21世纪人类面临的重大挑战之一，人口增长、工业化加速、气候变化及污染等多重因素进一步加剧了淡水匮乏困境，全球超40亿人每年至少面临一个月的中度缺水。在此背景下，太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术凭借低成本、高效率、环境友好的核心优势，成为海水淡化、淡水获取的极具潜力的可持续方案，其应用不仅局限于水资源净化，更延伸至农业灌溉、盐碱地改良等关乎“水-能源-农业”纽带的可持续发展领域。近年来，研究界聚焦于生物质材料在SDIE技术中的应用，这类材料因天然多孔结构、良好亲水性、低导热系数及可持续性等特质，成为光热材料的理想选择。丝瓜络作为一种储量丰富、成本低廉的生物质，凭借其独特的多孔结构、优异的水传输能力及固有机械强度，在光吸收、蒸汽逃逸及盐结晶抑制方面展现出天然优势，已成为SDIE系统的热门基材。然而，当这一技术推向实际应用时，一系列关键挑战逐渐凸显：传统碳化处理虽能提升丝瓜络的光热性能，却会严重破坏其结构柔韧性与机械强度，导致蒸发器耐久性不足；多数研究仅聚焦于蒸发速率或效率等单一性能指标的优化，忽视了蒸发性能、机械稳定性、盐耐受性、长期服役寿命等多参数的协同平衡；同时，蒸发器结构参数（如阵列高度、间距）与性能的量化关联尚不明确，缺乏系统性的设计模型指导，难以实现精准优化；此外，生物质材料在高盐环境下的长期稳定性仍需提升，且现有表征手段难以同步监测材料光吸收、水传输与机械性能的动态关联，无法为多性能协同优化提供全面支撑。为了突破这一瓶颈，本研究创新性地将生物质丝瓜络与PVA/PPy双网络水凝胶相结合，通过碳化改性与复合修饰策略，实现光吸收、超亲水性、机械强度的协同增强。同时，建立量化模型揭示CL-PVA/PPy的变形能力与长径比的关联，并系统分析PPy含量、光照角度、阵列结构等关键参数对蒸发性能的影响，实现多性能的精准调控。本研究正是在这一技术背景下，旨在通过材料改性与结构优化的双重创新，解决传统生物质蒸发器多性能难以兼顾、设计缺乏量化依据的核心问题，为下一代高效、稳定、可规模化的太阳能淡水生成技术提供理论基础与实践方案。相关成果以“Flexible hydrogel-enhanced biomass loofah for efficient solar-driven interfacial evaporation”为题发表在国际知名期刊《Renewable Energy》上。

研究数据

图1 (a) 碳化丝瓜络（CL）制备过程示意图。(b) 聚乙烯醇 / 聚吡咯（PVA/PPy）凝胶前驱体溶液制备示意图。(c) 冷冻干燥的聚乙烯醇 / 聚吡咯改性碳化丝瓜络。

图2 (a) 模拟环境下太阳能界面蒸发实验示意图。(b) 太阳能驱动界面蒸发装置结构图，图中显示高圆柱形阵列可替换为其他结构（如低圆柱形阵列或立方体形阵列）。

图3 (a) 天然丝瓜络、(b) 聚乙烯醇 / 聚吡咯改性碳化丝瓜络（CL-PVA/PPy）的输水能力原位测量（采用数字成像技术）。(c) 不同时间间隔下两种测试样品中红墨水的上升高度对比，以及它们各自的静态接触角。（关于本图例中颜色指代的解释，请读者参考本文的网络版。）

图4 (a) 用于测量样品力学性能的拉伸试验机示意图，含各测试样品的形状与尺寸。(b) 天然丝瓜络、未经 PVA/PPy 改性的天然碳化丝瓜络（N-CL）及 PVA/PPy 改性碳化丝瓜络（CL-PVA/PPy）的载荷 - 位移曲线。(c) CL-PVA/PPy 的柔韧性评价，其中L0表示原始长度，θ表示样品首尾两端的弯曲角度。

图5 (a) 未经 PVA/PPy 改性的天然碳化丝瓜络（N-CL）、(b) PVA/PPy 改性碳化丝瓜络（CL-PVA/PPy）的扫描电子显微镜（SEM）图像。(c) N-CL 与 CL-PVA/PPy 的傅里叶变换红外光谱（FTIR）。(d) 天然丝瓜络、N-CL 及 CL-PVA/PPy 样品的紫外 - 可见 - 近红外光谱（UV–vis–NIR），图中彩虹色标注为周围环境中的太阳辐射。(e) 1 个太阳光照下纯水（无测试样品）、N-CL 及 CL-PVA/PPy 样品的质量变化曲线。(f) 纯水、N-CL 及 CL-PVA/PPy 样品的蒸发速率。

图6 (a) 不同聚吡咯（PPy）含量的聚乙烯醇 / 聚吡咯改性碳化丝瓜络（CL-PVA/PPy）样品的紫外 - 可见 - 近红外光谱（UV–vis–NIR）；(b) 质量变化曲线；(c) 蒸发速率与能量转换效率；(d) 载荷 - 位移曲线。

图7 (a) CL-0 样品、(b) CL-15 样品在不同太阳辐射强度（1 个太阳、2 个太阳、2.5 个太阳、3 个太阳）下的质量变化曲线；图 (c) 和图 (d) 分别展示了 CL-0 与 CL-15 样品的蒸发速率及能量转换效率。

图8 (a) CL-0、(b) CL-15 在 1 个太阳光照下 60 分钟的温度变化红外热成像图；(c) CL-0 与 CL-15 垂直排列的实物图；(d) CL-0 与 CL-15 样品 60 分钟内的温度变化对比；(e) CL-0 与 CL-15 样品在 60 分钟蒸发过程中的温差（初始温度与某一时刻温度的差值）对比。

图9 (a) 1 个太阳光照下，蒸发器在 90°、60°、30° 太阳辐照角度下的示意图；(b) CL-0 与 CL-15 样品在不同辐照角度下的蒸发速率；(c) CL-0 与 CL-15 样品在不同辐照角度下的能量转换效率；(d) CL-0 与 CL-15 基蒸发器在 10 个循环（每个循环 1 小时）下的蒸发速率循环性能；(e) 上述两种蒸发器在相同循环条件下的能量转换效率循环性能（体现其可重复使用性）；(f) CL-0 与 CL-15 基蒸发器在不同太阳辐射强度下，20 个循环（每个循环 1 小时）的蒸发循环性能。

图10 (a) 基于 CL-15 的蒸发装置阵列结构示意图，其中 “高度” 指样品顶部到底部的距离，“间距” 指两个圆柱体中心之间的距离；(b) 蒸发器在不同高度下的质量变化曲线；(c) 蒸发器在不同高度下的蒸发速率与能量转换效率；(d) 蒸发器在不同间距下的质量变化曲线；(e) 蒸发器在不同间距下的蒸发速率与能量转换效率。

图11 (a) 圆柱形、(b) 立方体形阵列结构蒸发器在 1 个太阳光照下 60 分钟内的温度变化红外热成像图；(c) 60 分钟测试期间圆柱形与立方体形阵列结构的温度对比；(d) 圆柱形与立方体形阵列结构蒸发器的温差（对比值）；(e) 圆柱形与立方体形阵列结构蒸发器的质量变化曲线。

图12 (a) 天然海水与氯化钠盐水（质量分数 3.5%、10%、15%、20%）的蒸发速率对比；(b) 样品在天然海水中 10 小时连续蒸发情况，插图显示（样品）表面盐积累状况；(c) 样品在质量分数 3.5%、10%、15% 氯化钠盐水中 10 小时连续蒸发的稳定性评估；(d) 样品在质量分数 20% 氯化钠盐水中 10 小时连续蒸发的稳定性，插图显示（样品）表面盐积累状况。

图13 (a) 蒸发器阵列结构示意图；(b) 户外蒸发实验初始阶段的装置示意图；(c) 蒸发器运行特定时长后的实物图；(d) 自然光照下的户外蒸发：上午 9:00 至下午 5:00 期间蒸发器的光照强度与表面温度监测；(e) 上午 9:00 至下午 5:00 期间记录的产水速率与累计产水量；(f) 户外蒸发实验所得净化水用于植物灌溉的应用场景；(g) 采用蒸发淡化海水、净化自来水及未蒸发海水灌溉时，植物生长（株高变化）的长期监测（用于对比）。

研究结论

总之，研究人员开发了一种高效、稳定、柔性且可持续的PVA/PPy增强生物质丝瓜络基太阳能蒸发器，其通过生物质材料与双网络水凝胶的协同整合，突破了传统太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术中单一性能优化的局限，实现了光吸收、水传输、机械强度与盐抗性的多维度协同提升。该蒸发器以天然丝瓜络为基材，经脱质、混合碳化处理形成3D多孔碳化骨架，再通过PVA/PPy杂化胶体修饰，构建出兼具超亲水性与高机械稳定性的复合结构，配合建立的量化模型（关联CL-PVA/PPy变形能力与长径比），为设计参数优化提供了科学依据。与传统丝瓜络基蒸发器相比，该新型蒸发器展现出卓越的综合性能：在1个太阳光照下，蒸发速率高达1.821 kg·m⁻²·h⁻¹，能量转换效率达94.81%，显著优于现有同类器件；其水传输高度是天然丝瓜络的3倍以上，静态接触角仅4°的超亲水性确保了高效水供给；机械强度较未改性碳化丝瓜络提升3倍以上，弯曲角度可达180°，为长期稳定运行提供结构支撑。此外，该蒸发器具备优异的盐抗性与耐久性，在天然海水及20 wt%高盐卤水中可连续稳定运行10小时，无明显盐积累；户外8小时累计蒸发量达15.551 kg·m⁻²，可满足4人日均饮水需求，其净化海水用于农业灌溉时，植物生长状态媲美自来水灌溉组，验证了实际应用价值。该蒸发器还具备简单可扩展的制备工艺，阵列结构参数（5 mm高度、15 mm间距）与PPy含量（15%）的优化设计支持规模化生产。其一体化设计将材料可持续性与高性能完美结合，不仅解决了传统生物质蒸发器机械强度不足、多性能难以兼顾的痛点，还为太阳能淡水生成技术的工程化应用提供了可行方案。综上，这种PVA/PPy增强丝瓜络基蒸发器在水收集、农业灌溉等领域展现出巨大应用潜力，为应对全球淡水危机提供了可持续解决方案。未来可通过优化多效蒸馏系统提升增益输出比（GOR）、强化材料长期耐久性等方向进一步完善，推动SDIE技术向大规模、高经济性的实际应用迈进。

https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123958

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