《AM》北化邱介山/孟祥桐：离子渗透调控两性离子水凝胶！

界面太阳能蒸发在海水淡化领域前景广阔，但受困于盐分积累和未利用的盐度梯度能量。传统的抗盐策略主要依赖于被动扩散，在高盐度下经常失效。

2026年06月23日，北京化工大学邱介山、孟祥桐团队在Advanced Materials期刊发表题为“Ion Permeation in Zwitterionic Hydrogel for Stable Solar Desalination and Power Generation”的研究论文，团队成员邹洪棋为论文第一作者，邱介山、孟祥桐为论文共同通讯作者。

第一作者：邹洪棋

通讯作者：邱介山、孟祥桐

通讯单位：北京化工大学

论文DOI：10.1002/adma.73816

该研究提出一种利用两性离子水凝胶蒸发器的离子渗透策略。电荷平衡的水凝胶网络能够实现向下的离子渗透，同时抑制向上的水对流，从而防止界面结晶。作为概念验证，研究人员设计了一种两性离子水凝胶蒸发器，其具有空间上分离的用于盐水对流和离子渗透的通道。该蒸发器在0–25wt.%盐水中可维持高于3.50kg m⁻² h⁻¹的稳定蒸发速率，且在3.5wt.%盐水中连续海水淡化105h后未出现盐分积累。光谱学分析和模拟计算验证了该离子渗透机制。此外，该研究利用由此产生的盐度梯度进行发电，实现了24W m⁻²的创纪录高功率输出。该研究提出了一种稳定的离子渗透调控范式，用于协同利用盐水资源和太阳能。

太阳能驱动的界面蒸发因其可持续性地直接收集丰富的太阳能并实现高蒸发效率，已成为可持续淡水生产的一项前沿技术。除水净化外，蒸发过程中建立的离子梯度和电化学电位差为同时发电提供了机会，由此催生了太阳能驱动的水-能源联产概念。这类集成系统不仅能够最大化太阳能利用效率，还能同时应对淡水短缺和清洁能源需求的双重挑战，与可持续资源管理的愿景高度契合。

尽管太阳能蒸发技术具有上述优势，但水-空气界面的盐垢问题严重限制了光吸收、阻塞了水传输通道，甚至导致系统完全失效。当前关于抗盐蒸发器的研究主要集中在亲水/疏水界面、Donnan效应和旋转蒸发器等策略上，这些方法可以防止盐结晶或实现自清洁。然而，这些方法往往限制了盐水传输，导致蒸发速率降低。相比之下，基于超亲水水凝胶、边缘盐结晶和抗聚电解质效应的设计可以实现高蒸发速率，这些策略主要侧重于增强离子扩散以促进盐离子回流至本体盐水中。这可以通过构建垂直排列的通道或亲水多孔网络来实现，从而促进离子从蒸发界面输运出去。虽然这类方法可以在一定程度上暂时缓解界面盐结晶，但它们本质上是被动的，并且受限于有限的扩散动力学，特别是在高盐度(≥10wt.%)或长期运行条件下。此外，水对流和离子输运通常强耦合，导致在抗盐和热管理之间存在基本权衡。向上的对流水流将盐离子带回蒸发界面，加速了结晶。同时，它将热量从光热层带走，导致过多的热耗散。

相比之下，离子渗透提供了一种更根本且主动的离子管理机制。由蒸发界面与本体盐水之间的渗透压差驱动，离子渗透可以通过选择性离子通道或带电网络（例如两性离子水凝胶）主动引导离子远离界面。这一过程不仅从源头上缓解了盐分积累，而且还具有与盐差能收集相耦合的潜力。值得注意的是，离子渗透这一概念尽管在调控界面离子迁移方面更为有效，但尚未在该领域得到系统探索。因此，利用离子渗透作为抗盐策略可能代表着通向本征稳定太阳能海水淡化和水电联产的一条变革性路径。

在此，该研究设计了一种两性离子水凝胶（ZH）蒸发器作为概念验证平台，该蒸发器主动调控离子渗透（IP）以实现抗盐，空间上解耦了盐水对流与离子扩散，从而最大限度地减少热损失。利用其电荷平衡的网络，该水凝胶能够实现选择性离子输运，同时抑制水对流，从而防止界面盐结晶并减少热损失。因此，在0–25wt.%盐水中可维持高于3.50kg m⁻² h⁻¹的稳定蒸发速率，且在3.5wt.%盐水中连续运行105h后未出现盐分积累。原位拉曼光谱和理论模拟验证了两性离子水凝胶内增强的离子输运动力学。此外，在该稳定蒸发器的基础上，研究人员构建了一个海水淡化-发电-灌溉-盐回收（DPIS）四元系统，该系统可以高效提取太阳能驱动的盐差能，实现了24W m⁻²的创纪录高功率输出，同时提供可用于农作物灌溉的淡水。该研究建立了太阳能海水淡化中离子渗透工程的新范式，为本征稳定且多功能的海水淡化系统提供了基础机制见解和实践进展。

图1 | 典型水凝胶基和离子渗透（IP）蒸发器在质量和热传递方面的比较。(a, b) 典型水凝胶基蒸发器(a)和IP蒸发器(b)中的质量和热传递示意图。对于包含内部水传输通道的典型蒸发器（例如，冻干水凝胶基蒸发器），水和盐离子都可以从本体盐水快速传输到蒸发器表面。相比之下，IP蒸发器采用了未经冷冻干燥的ZH，因此，其缺乏将盐水快速输送到蒸发表面的固有能力。取而代之的是，ZH两侧的纤维织物承担此功能，能够将盐水快速输送至蒸发器表面。(c) 太阳能驱动的DPIS Nexus示意图。具体而言，IP蒸发器对盐水进行太阳能淡化，以生产用于农业灌溉的饮用水。浓缩的本体盐水进一步用于太阳能驱动界面蒸发，通过浓缩盐水与表层水之间的盐度梯度实现发电。盐水中的水分完全蒸发后，析出的盐晶体被回收。

图2 | IP蒸发器的制备与表征。(a) IP蒸发器的光学照片。该IP蒸发器由ZH、FFs、CNT-FF和PS泡沫组成。PS泡沫用于使蒸发器漂浮在水面上，而从下部伸出的FFs则有助于盐水传输。(b) IP蒸发器的结构示意图。(c) ZH的SEM图像和EDS面扫图。(d) ZH的水传输测试。当一片FF放置在部分浸没于黑色墨水中的ZH顶部时，如果ZH具备水传输能力，则其顶部的FF会被染成黑色。(e) FF的水传输测试。(f) FF和CNT-FF的UV–vis-NIR光谱。(g) 在1个太阳照射下，带有ZH和FF的蒸发器其蒸发表面和本体盐水的温度变化曲线。(h) 两个蒸发表面的红外图像。(i) 基于FF的供水（上方）与传统大面积向上供水（下方）的热损失COMSOL仿真对比。

图3 | 太阳能淡化及稳定的耐盐性能。(a) 仅由IS驱动的质量变化。(b) 含水CNT-FF在O─H伸缩振动区域的拉曼光谱及拟合曲线，显示中间水与自由水的比值（IW/FW）为0.36。(c) 由IS及额外EEI引起的质量变化。(d) 在1个太阳下，IP蒸发器在不同浓度盐水中的蒸发速率（IS和IS+EEI）以及基于IS的能量效率。(e) 蒸发表面盐结晶的照片。(f) 在1个太阳下，带有和不带有ZH的蒸发器在15 wt.%盐水中的质量变化。(g) 蒸发过程中盐水盐度的变化。(h) IP蒸发器在盐水中的最佳耐盐性。

图4 | IP蒸发器的耐盐机理。(a) 在1个太阳下，不同蒸发器在23 wt.%盐水中从蒸发开始至表面出现盐结晶的质量变化。请注意，质量变化数据记录至蒸发器表面出现盐结晶时为止。(b) 测试水凝胶中离子渗透能力的示意图（黄色和绿色球体分别代表Na⁺和Cl⁻）。(c) 不同水凝胶顶部和底部三聚氰胺泡沫中溶液的电导率。(d) 测试后ZH达到平衡状态的示意图。(e) ZH底部溶液中的离子浓度。插图为三聚氰胺泡沫的SEM图像及对应的EDS面扫图。(f) 在1个太阳下，带有和不带有ZH的蒸发器在20 wt.%盐水中的产电电压。(g) 在1.5个太阳下，IP蒸发器在23 wt.%盐水中的质量变化和盐度变化。插图为稳态时蒸发表面的红外图像。(h) IP蒸发器耐盐机理的示意图。

图5 | 盐渗透过程的动态捕捉。(a) 在有盐度梯度驱动和无盐度梯度驱动条件下ZH的原位拉曼光谱。(b) AM和SMBA经DFT优化后的分子结构及分子表面静电势分布。(c) 离子从高盐区通过NH和ZH渗透至低盐区的分子动力学模拟。(d, e) 在整个模拟过程中，顶部和底部腔室内Na⁺/H₂O(d)和Cl⁻/H₂O(e)的数量监测。(f) Na⁺和Cl⁻在ZH和NH中的扩散系数。

图6 | 长期脱盐及盐梯度发电。(a) 长期脱盐（I）耦合盐梯度发电（II）的示意图。(b) 在1个太阳下，IP蒸发器（IS+EEI）在模拟海水（3.5 wt.% NaCl溶液）中的质量变化和蒸发速率。填充区域代表分两批次进行的海水蒸发。插图为更换为原始海水时以及完整测试后蒸发器表面的光学照片。比例尺：1 cm。(c) 简易组装的太阳能脱盐辅助盐梯度发电装置的光学照片及其测试过程。(d) 测试过程中近饱和盐水与表层水盐度的变化。填充区域表示两者之间的盐度梯度。(e) 测试过程中装置产生的开路电压和短路电流的变化。(f) 装置在不同负载电阻下的最大功率密度和负载电压值。

图7 | 户外实验及小麦灌溉。(a) 使用太阳能淡化水进行小麦灌溉的示意图。(b) 户外太阳能脱盐系统的照片。(c) 2024年10月22日于北京，11:00至16:00自然光照下的太阳辐射强度及集水速率。(d) 海水中及淡化处理后主要离子浓度的测定值。(e) 使用淡化水灌溉的小麦在7天内的生长高度。

总之，该研究开发了一种两性离子水凝胶基蒸发器，其具有空间解耦的用于盐水对流和离子输运的通道，能够主动调控离子渗透以实现有效抗盐。得益于其合理设计的结构，该蒸发器在宽盐度范围(0–25wt.%)内持续维持高于3.50kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，且在3.5wt.%盐水中连续运行105h后未观察到明显的盐分积累。原位拉曼光谱和分子动力学MD模拟共同证明了在两性离子通道内增强的离子渗透，这归因于与非离子水凝胶网络相比具有更高的离子扩散系数。基于该蒸发器，研究人员进一步构建了一个四元系统，集成了海水淡化、发电、灌溉和盐回收功能。浓缩后的盐水同时实现了盐回收和盐差能收集，获得了创纪录的高功率输出。该研究为太阳能海水淡化系统中主动调控盐传输建立了新范式，为可持续水-能源联产提供了基础性见解和实践框架。