CEJ | 基于热敏性与Donnan效应的协同顶部供水策略实现高耐盐太阳能界面蒸发

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研究背景

随着全球水资源与能源危机的日益加剧，开发可持续的水-电联产技术成为迫切需求。界面太阳能蒸汽发电技术凭借低成本、高效率、零碳排放等优势，在海水淡化和废水处理领域展现出巨大潜力。然而，传统蒸发器在实际应用中面临三大核心挑战：蒸发过程中的显著热损失限制了能量利用效率；盐分持续积累会堵塞蒸发界面，导致性能衰减；而发电所需的高效离子选择性传输往往与快速水传输需求存在冲突。

为破解热局域化与盐积累之间的矛盾，本研究创新性地设计了一种热响应智能蒸发器。研究团队受鱼鳃高效盐分排斥机制的启发，将热敏性聚合物聚N-异丙基丙烯酰胺与强亲水性离子单体2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠共聚，构建了带有固定负电荷的多功能水凝胶网络。同时，创新性地采用顶部毛细-重力协同供水策略，替代传统底部供水方式，实现了热局域化与持续供水的动态平衡。

本研究通过热响应聚合物与Donnan效应的协同作用，结合顶部供水策略，成功解决了传统界面太阳能蒸汽发电系统中热管理与盐积累的内在矛盾，为开发高效、稳定、耐盐的水-电联产系统提供了新材料和新思路。

相关工作以“The synergistic top-watering strategy based on thermal sensitivity and Donnan effect enables high salt-tolerance solar-driven interfacial evaporation”为题发表在《Chemical Engineering Journal》（JCR一区，中科院一区TOP，IF=13.2）上。

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研究内容

本研究聚焦于太阳能界面蒸发技术中热局域化与盐积累矛盾的协同调控机制。研究团队首先设计了不同PNIPAM/NaAMPS质量比（6:0、5:1、2:1、1:1、1:2、1:5）的系列复合水凝胶，命名为PN0至PN5，并通过XRD、FTIR、XPS等手段验证了UiO-66的成功负载及各组分的均匀分布。SEM观察显示，PN2样品（2:1比例）呈现出高度规整、相互连通的三维蜂窝状多孔结构，为快速水传输和蒸汽逸出提供了理想通道。

在供水策略优化方面，研究创新性地提出了顶部毛细-重力协同供水系统，通过亲水性滤纸将水输送至水凝胶表面，水从顶部向下渗透，水凝胶底部暴露于空气中。COMSOL模拟与红外热成像分析表明，顶部供水策略实现了有效的热局域化，将热量集中在蒸发界面，显著减少了向水体的热传导损失。同时，PNIPAM的热响应特性（低于LCST时亲水，高于LCST时疏水收缩）进一步增强了热管理能力。

在抗盐机制研究方面，PN2水凝胶中固定磺酸基团通过Donnan效应静电排斥Cl⁻离子，在凝胶内部形成离子耗竭区。同时，蒸发界面温度梯度驱动的Marangoni对流持续“冲刷”富集盐离子，两者形成“静态-动态”双重机制，使PN2在20 wt.%高浓度盐水中连续蒸发48小时后表面无明显盐结晶，10次循环后仍保持稳定性能。

在水电联产性能方面，PN2在3.5 wt.% NaCl溶液中蒸发速率达3.65 kg m⁻² h⁻¹，在15 wt.% NaCl溶液中同时实现最大160 mV的电输出。户外实验中，PN2在七小时内产生4.5 g淡水，最大开路电压达114 mV，十组串联后可成功为3.3 F电容器充电至1.72 V并点亮LED灯泡，展现出在偏远地区解决水-能协同需求的实用潜力。

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研究数据

图1. 不同供水策略下的热管理机制。(a) 底部供水策略的缺点；(b) 顶部供水策略的原理与优势；(c) 受鱼鳃启发的水凝胶网络；(d) PNIPAM的热响应特性；(e) 多孔离子水凝胶中蒸发驱动发电的机制。

图2. PN水凝胶的制备与表征。(a) PN制备流程；(b) PN2水凝胶的SEM图像；(c) PN2水凝胶低倍SEM图像；(d) PN2水凝胶横截面EDS元素分布图；(e) 不同单体比例水凝胶的红外光谱；(f) 不同单体比例水凝胶的XPS全谱；(g) PN2和PN5样品的高分辨XPS S2p谱图。

图3. COMSOL模拟分析。(a) 周围空气对流速度场（黑线为气流速度流线）；(b) 流体压力分布；(c) 流体速度分布与表面温度分布；(d) 温度分布。

图4. 顶部供水蒸发系统与性能分析。(a) 顶部供水策略示意图；(b) 不同水凝胶一小时质量变化；(c) 不同比例水凝胶蒸发速率对比；(d) PN2（含碳黑）与PN2（不含碳黑）吸光度对比；(e) 不同光强下PN2蒸发速率；(f) 不同滤纸层数下PN2蒸发速率；(g) 不同倾斜角度下PN2蒸发速率；(h) 水在材料中的存在状态示意图；(i) PN0、PN2与纯水的拉曼光谱；(j) 拉曼光谱分峰拟合；(k) PN0与PN2的DSC曲线。

图5. 耐盐性能与机制分析。(a) PN2与PN0在高浓度盐水中长时间蒸发后表面照片；(b) PN2在不同盐浓度下的质量损失曲线；(c) PN2在不同盐浓度下的蒸发速率；(d) 20 wt.% NaCl溶液中8小时连续蒸发实验；(e) 10次循环蒸发测试；(f) 不同稳定性测试后PN2的蒸发速率；(g) 蒸发过程中顶部红外热成像；(h) 蒸发界面Marangoni流动效应；(i) 表面波状凹陷处的Marangoni流动效应。

图6. 发电性能与机制分析。(a) 蒸发驱动发电性能测试系统示意图；(b) 三明治结构测试装置示意图；(c) 不同单体比例水凝胶的开路电压；(d) 1 sun光照下PN2与PN0的开路电压和短路电流对比；(e) 不同光强下PN2的开路电压和短路电流变化曲线；(f) 不同盐浓度下PN2的开路电压和短路电流变化曲线；(g) 全浸没模式下PN2的开路电压；(h) 去离子水蒸发时PN2的开路电压；(i) PN2蒸发后顶部和底部表面的EDS分析；(j) PN2蒸发后顶部和底部溶液的离子色谱测试；(k) 蒸发诱导离子选择性输运发电机制示意图。

图7. 实际应用验证与综合性能。(a) 户外水电联产装置；(b) 户外条件下开路电压、太阳辐照度和产水量随时间变化曲线；(c) 三天户外实验的产水量；(d) 三天户外实验的开路电压与光强变化；(e) 天然海水中主要离子浓度（东海）；(f) 亚甲基蓝紫外光谱；(g) 罗丹明紫外光谱；(h) 十组PN2单元串联为电容器供电；(i) 电容器为小灯泡供电；(j) 高性能水凝胶蒸发器对比分析。

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研究结论

本研究成功开发了一种具有优异热管理能力的热响应智能蒸发器，通过将蒸发器的热敏性与Donnan效应协同整合，并结合顶部供水策略，实现了高效、持续的动态蒸发过程，显著提升了水电联产效率。研究得出以下主要结论：

（1）顶部毛细-重力协同供水策略实现了有效的热局域化，将热量集中在蒸发界面，避免了向水体的热传导损失。PNIPAM的热响应特性（LCST附近亲水-疏水可逆转变）使蒸发器能够在高温时自发收缩，减少热辐射和对流损失，同时保持持续供水。

（2）通过PNIPAM与NaAMPS共聚构建的固定负电荷网络，利用Donnan效应静电排斥Cl⁻离子，在凝胶内部形成离子耗竭区，有效抑制了盐结晶。同时，蒸发界面温度梯度驱动的Marangoni对流持续“冲刷”富集盐离子，两者形成“静态-动态”双重协同机制。

（3）优化的PN2水凝胶（PNIPAM:NaAMPS=2:1）在3.5 wt.% NaCl溶液中蒸发速率达3.65 kg m⁻² h⁻¹，在15 wt.% NaCl溶液中同时实现最大160 mV的电输出。即使在20 wt.%高浓度盐水中，系统仍保持超过2.76 kg m⁻² h⁻¹的高蒸发速率，连续运行48小时后无明显盐沉淀。

（4）蒸发驱动发电机制主要源于蒸发诱导的流动电位：固定负电荷网络对Na⁺的选择性输运，在凝胶顶部和底部之间形成电荷分离，产生稳定的电势差。在2.5 suns光照和15 wt.%盐浓度下，开路电压峰值达160 mV。

（5）户外实验验证了PN2在自然条件下的稳定输出，七小时内产生4.5 g淡水，最大开路电压达114 mV。十组PN2串联后成功为3.3 F电容器充电至1.72 V并点亮LED灯泡，展现出在偏远地区解决水-能协同需求的实用潜力。

本研究为新型高效蒸发器的设计提供了理论贡献，在可持续热电联产领域展现出重要应用前景。

DOI:https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175682

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