南京理工大学AM：仿生双梯度气凝胶问世，晒太阳就能产水又发电！

在全球能源需求持续攀升与生态环境挑战日益严峻的背景下，淡水资源与能源的短缺已成为亟待解决的紧迫问题。长期以来，太阳能的开发与利用被视为缓解全球水-能危机的关键路径之一。太阳能驱动的界面蒸发技术能够利用光热效应将海水转化为纯净水蒸气，而湿气发电技术则能捕获水汽-液相变过程中释放的化学势能并转化为电能。理论上，将二者整合于同一平台可实现淡水与电力的协同生产。然而，实际应用中面临两大核心挑战：一方面，光热材料在气-液界面局域化能量集中，导致水快速汽化而盐分滞留，且盐离子的反向扩散通量无法抵消蒸发通量，使界面盐浓度超过溶解度极限而引发结晶；另一方面，湿气发电中的水分梯度因自发扩散而迅速均质化，导致离子迁移驱动力衰减，无法维持长期发电。如何构建一种能同时应对盐沉积与输出衰减的多功能材料，成为领域内的技术难点。

受植物叶绿体类囊体膜中ATP合成酶利用离子梯度与水分梯度实现能量转导的启发，南京理工大学朱俊武教授、熊攀教授和悉尼科技大学汪国秀教授合作，成功设计出一种双梯度气凝胶。该材料通过非对称离子掺杂与亲水性差异，在单一结构中同时构建了离子梯度与水分梯度。实验表明，基于该气凝胶的水-电联产系统，其功率密度相较于均质气凝胶提升了324倍，并在高盐环境中稳定运行7天无盐沉积。户外阵列实验进一步验证了该系统在真实环境下同步产水产电的可行性。相关论文以“Bio-Inspired Dual-Gradient Aerogel Enables Sustainable Freshwater Production and Energy Harvesting”为题，发表在Advanced Materials上，为发展高效、自持的水-能协同生产技术开辟了新路径。

图1 | DGA的工作机制及WECPS阵列的户外性能。 (a) 均质气凝胶结构缺乏梯度结构，导致盐沉积和发电持续时间短的问题示意图。 (b) DGA用于太阳能驱动界面蒸发和湿气发电的示意图，DGA中的离子梯度和水分梯度提供了抗盐性和稳定的电输出。 (c) 规模化水-电联产集成系统示意图，利用太阳能驱动界面蒸发产生淡水并储存在水塔中，同时通过湿气发电产生电能并储存在储能站中。

这种双梯度气凝胶的制备采用阴离子表面活性剂SDBS和阳离子表面活性剂CTAB，在吡咯聚合过程中实现聚吡咯的阴离子/阳离子掺杂，并将其分别与聚乙烯醇复合，通过自组装发泡策略构建出双层异质结构。从实物照片可见，该气凝胶（尺寸3 cm × 3 cm × 0.6 cm）具有高度多孔的形貌，侧面可清晰观察到双层界面（图2a）。扫描电镜图像显示，气凝胶内部为发达的三维多孔网络，并清晰可见两相界面处的分界线（图2b）。更高倍数观察下，SPP层（SDBS掺杂层）具有更宽的孔径分布和更薄的孔壁，而CPP层（CTAB掺杂层）则呈现更小的孔径与更厚的孔壁（图2c,d）。元素分布图谱表明，钠和溴元素在双层界面处呈非对称分布（图2e），证实了离子梯度的成功构筑。X射线光电子能谱进一步确认了Na⁺和Br⁻分别富集于各自对应层中，高分辨Na 1s和Br 3d光谱证实了离子的成功掺杂（图2f,g），且离子掺杂并未改变PPy与PVA的分子结构。

接触角测量结果揭示了两层之间显著的亲水性差异：SPP层呈强亲水性（接触角30.2°），而CPP层仅为弱亲水性（接触角80.7°）（图2h），由此形成了稳定的水分梯度。该差异源于两种表面活性剂固有的亲水性差别以及两层多孔结构的形态差异。得益于聚乙烯醇与聚吡咯之间的强氢键交联作用，该气凝胶展现出优异的机械性能——在80%应变下压缩应力达1.71 MPa，约为纯PVA气凝胶的1.6倍。经过10次润湿-干燥循环及70小时高湿连续运行后，其力学性能未见衰减。润湿后的气凝胶可被拉伸、压缩、弯曲和扭转而不破裂（图2i），展现出良好的实际应用柔性。

图2 | DGA的设计与表征。 (a) DGA的顶视图和侧视图照片，尺寸为3 cm × 3 cm × 0.6 cm。 (b) DGA的截面SEM图像。 (c) SPP层和(d) CPP层的截面SEM图像。 (e) DGA在双层界面处的Na和Br元素分布图。 (f) SPP和CPP层中Na 1s和(g) Br 3d的高分辨XPS光谱。 (h) SPP和CPP层的接触角。 (i) 润湿态DGA在拉伸、压缩、弯曲和扭转条件下的光学照片。

在湿气发电性能测试中，该双梯度气凝胶的表现远超均质对照组。均质气凝胶HA-1（强亲水）和HA-2（弱亲水）因缺乏内部梯度结构，仅依靠上下表面的瞬态湿度差异产生微弱电能，其开路电压和短路电流分别仅为0.04 V/0.4 µA和0.12 V/3.4 µA（图3a,b）。相比之下，双梯度气凝胶实现了0.52 V的开路电压和27.8 µA的短路电流（图3a,b），功率密度达2.53 µW/cm²（图3c,d），分别是HA-1和HA-2的324倍和12倍。研究发现，6 mm为最优厚度——过厚会导致上层水分子吸附过饱和、离子活性和迁移率下降，同时增加内阻，降低电荷收集效率。

环境湿度对发电性能影响显著：随相对湿度从20%升至90%，电压与电流输出同步增强（图3e），且在湿度循环切换中响应近乎同步（响应时间小于0.5 s），表现出优异的湿度可逆性（图3f）。该快速响应主要归因于DGA高度多孔的三维网络结构及丰富的亲水界面，促进了水蒸气的快速扩散与吸附/脱附动力学。此外，该气凝胶还可作为压力传感器，在500 g负载下输出稳定的电信号，且机械循环后结构完全恢复（图3g）。长达70小时的连续测试表明，其开路电压与短路电流均无明显衰减（图3h），冻干后的测试证实离子梯度和水分梯度仍保持完好，展现出卓越的长效稳定性。与近年报道的典型凝胶基湿气发电机相比，该材料在输出电压、电流密度和工作时长三项指标上取得了优异的综合平衡。

图3 | 电输出性能。 (a) HA-1、HA-2和DGA在80%相对湿度和25 ± 2 °C条件下的开路电压和(b)短路电流输出。 (c) HA-1、HA-2和DGA在80%相对湿度和25 ± 2 °C条件下的电流密度和(d)输出功率密度随外部负载电阻的变化。 (e) 室温下开路电压和短路电流输出随相对湿度变化的关系。 (f) DGA在周期性湿度切换循环下的开路电压输出随时间变化。插图为特定时间点的放大细节。 (g) DGA在80%相对湿度和25 ± 2 °C条件下被500 g砝码按压不同时间的开路电压输出；光学照片显示DGA被500 g砝码按压和释放的过程。 (h) DGA在80%相对湿度和25 ± 2 °C条件下70小时的开路电压和短路电流输出。

为定量区分离子梯度与水分梯度各自的贡献，研究团队设计了两种对照气凝胶：仅含离子梯度的样品（引入非离子聚合物PEG消除水分梯度）和仅含水分梯度的样品（对SPP层进行疏水改性消除离子梯度）。结果显示，仅含离子梯度的样品初始输出较高（0.50 V, 22.39 µA），但衰减迅速，证实离子梯度是电荷载流子扩散的主要驱动力，但缺乏持续水分梯度时离子浓度差会快速均质化；仅含水分梯度的样品输出较低但稳定（约0.17 V, 4.36 µA），说明持续定向的水传输是维持长效发电的必要条件，但单靠水分梯度不足以实现高输出。此外，梯度方向性对发电性能至关重要——反转型DGA因SPP层无法有效吸湿，破坏了水传输路径，输出显著降低。两种梯度以正确方向协同作用，方能兼顾高输出与长寿命。

开尔文探针力显微镜测试揭示了湿度诱导的表面电势变化：干燥状态下，SPP层与CPP层表面电势分别为+85 mV和+131 mV（图4d-f）；暴露于80%湿度后，二者分别变为-267 mV和+243 mV（图4d-f），形成了显著的电位差，且该差值随湿度增加而增大。这表明水分子促进了两种离子在气凝胶内的解离与释放，随后由离子浓度梯度驱动在微孔中传输。固体表面Zeta电位测量结果进一步支持了这一机制（图4g）。数值模型计算（图4h,i）表明，离子梯度驱动Na⁺和Br⁻从高浓度层向低浓度层扩散（图4a-c），产生扩散电流与内部界面电场，而水分梯度则确保水分子与离子的持续定向输运，从而实现稳定的长期电力输出。

图4 | 发电机理验证。 (a) DGA中水分子的自发吸附。 (b) 水分子触发DGA两侧聚合物链上自由离子(Na⁺和Br⁻)的解离。 (c) 离子浓度差驱动的Na⁺和Br⁻自发扩散。 (d) SPP和CPP在不同相对湿度下的相对表面电位。 (e) SPP层在0%相对湿度（上）和80%相对湿度（下）下的相对表面电位。 (f) CPP层在0%相对湿度（上）和80%相对湿度（下）下的相对表面电位。 (g) SPP层和CPP层的Zeta电位(ζ)。 (h) 稳态下沿DGA厚度方向计算的Na⁺和Br⁻离子分布。 (i) 稳态下沿DGA厚度方向计算的感应电位分布。

在太阳能驱动界面蒸发性能方面，紫外-可见-近红外光谱证实，聚吡咯的引入使气凝胶的平均光吸收率提升至96.2%。在1个太阳光照下，双梯度气凝胶表面温度10分钟内升至36.4°C，最终稳定在37.8°C，显著高于纯水和PVA气凝胶（图5a）。红外热成像显示，热量被有效限制在蒸发界面（图5b,c），60分钟后气凝胶表面温度升高19.9°C，而下方水体温度仅上升3.5°C（图5d），证明其多孔结构和疏水层有效抑制了向水体的热传导损失。该气凝胶实现了2.10 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率（图5e），是纯水的5倍，比HA-1均质蒸发器（1.65 kg m⁻² h⁻¹）高出约25%。反转型气凝胶因疏水层朝下阻碍水传输，蒸发速率大幅降至1.36 kg m⁻² h⁻¹，进一步证实了梯度方向的关键作用。

蒸发性能的提升还源于气凝胶对水分子状态的调控。在聚合物网络水合过程中，水可分为结合水、中间水和自由水三种类型（图5f）。拉曼光谱分析表明，双梯度气凝胶中中间水与自由水的比值达到0.52，显著高于纯水的0.15和HA-1的0.45（图5g）。差示扫描量热法测定显示，中间水有效降低了水蒸发所需的总能量，使得该气凝胶在1个太阳光照下的能量转换效率高达91.7%，为所有样品中最高（图5h）。在0.5至2个太阳光照强度范围内，气凝胶均保持稳定的蒸发性能（图5i），展现出优异的光强适应性。

图5 | 太阳能驱动界面蒸发性能。 (a) 纯水、HA-1和DGA蒸发器在1个太阳光照下表面温度随加热时间的上升曲线。 (b) 纯水、HA-1和DGA蒸发器在1个太阳光照下0 min、10 min、30 min和60 min的红外热像图。 (c) DGA蒸发器在0 min和60 min时主体水和表面的温度分布红外热像图。 (d) DGA蒸发器在1个太阳光照下表面和主体水温度随时间的变化。 (e) 纯水、HA-1和DGA蒸发器在1个太阳光照下质量随时间的变化。 (f) DGA中水的状态。 (g) 纯水、HA-1和DGA中IW/FW的比例。 (h) 纯水、HA-1和DGA在1个太阳光照下的计算等效焓和蒸发效率。 (i) DGA蒸发器在0.5至2个太阳光照下质量随时间的变化。

抗盐性能是该材料的另一突出优势。在模拟昼夜循环（9小时光照/15小时暗态）的3.5 wt%盐水中运行7天，双梯度气凝胶凭借水分梯度诱导的马朗戈尼对流（图6a），实现了盐分的自发排除，蒸发速率仅下降9%（图6b）。而HA-1均质蒸发器因表面严重盐结晶导致蒸发速率下降38%（图6b）。数码照片清晰显示，HA-1表面大面积覆盖盐晶体，而双梯度气凝胶表面基本保持清洁，仅边缘有少量结晶（图6c）。在3.5至20 wt%的宽盐度范围内，该气凝胶的蒸发速率从2.04 kg m⁻² h⁻¹仅微降至1.58 kg m⁻² h⁻¹，性能优于众多已报道的马朗戈尼抗盐蒸发器（图6d）。

图6 | 抗盐性能。 (a) DGA蒸发器中水传输通道的示意图。 (b) HA-1和DGA蒸发器在7个循环中每小时的蒸发速率。 (c) HA-1和DGA蒸发器在第一个循环实验的0、5和9 h时的表面数码照片。 (d) DGA蒸发器与已报道蒸发器在不同浓度盐水中的蒸发性能比较。

户外实际应用验证中，研究团队搭建了四组大面积丙烯酸水-电联产系统（图7a），每组集成4 × 4阵列的10 cm × 10 cm双梯度气凝胶模块。以黄海水为原水，系统在一天内产出约3升净化水（图7b），基本满足三口之家的日饮用水需求。四个装置在7:00、10:00、14:00和17:00的蒸发与冷凝过程如图7c所示。电感耦合等离子体质谱分析表明，净化后水中Na⁺、Mg²⁺、K⁺和Ca²⁺等主要离子浓度显著降低，低于世界卫生组织饮用水标准（图7d）。对于含罗丹明B、甲基橙和亚甲基蓝的混合染料废水，该气凝胶实现了超过99.9%的去除率；对于成分更复杂的实际生活污水，净化后样品同样表现出卓越的清澈度，且气凝胶在冲洗冻干后仍保持完整的宏观形貌与发达的多孔结构，展现出良好的耐受性。

在发电方面，四组户外装置（图7g）采用4 × 2串并联阵列配置（图7e），可同时为多个电容器充电。在阴天高湿条件下，一个1000 µF电容器可重复充电至1.5 V（图7f）。通过将8个充满电的1000 µF电容器进行4 × 2串并联组合，成功实现了5 V LED灯带在1:00、9:00和17:00的连续三周期点亮（图7h）。该气凝胶阵列的材料成本估计约为8.0美元每平方米，远低于已报道的太阳能蒸发器材料，充分展示了其实际应用潜力。

图7 | 户外太阳能水净化和发电性能。 (a) 户外海水淡化装置示意图。 (b) 光照强度、温度、湿度和产水量的时间变化。 (c) 户外海水淡化装置在7:00、10:00、14:00和17:00的数码照片。 (d) 黄海水净化前后的离子浓度。 (e) 4 × 2串并联连接为电容器充电的示意图。 (f) 电容器(1000 µF)的开路电压随时间变化及相应电路图。 (g) 户外湿气发电装置示意图。 (h) 户外湿气发电装置在1:00、9:00和17:00点亮LED灯带的数码照片，灯带由4 × 2串并联连接的充满电的1000 µF电容器阵列供电。

综上所述，本研究开发的仿生双梯度气凝胶通过离子梯度与水分梯度的协同设计，同时实现了长期抗盐太阳能蒸发与高性能湿气发电。该气凝胶基水-电联产系统不仅能在7天内保持稳定无盐沉积的高速率蒸发，还能在70小时以上维持0.52 V和27.8 µA的电输出。户外阵列实验进一步验证了其在真实环境下同步产水产电的能力。这项工作将定向离子输运与抗盐蒸发相统一，为自给自足的淡水与能源协同生产技术开辟了新前沿，有望在岛屿、离网地区和远洋船只等资源受限环境中建立可持续的运行范式。