20260715仿生双梯度气凝胶实现可持续淡水生产与能量收集

本期分享发表Advanced Materials杂志上题目为Bio-Inspired Dual-Gradient Aerogel Enables Sustainable Freshwater Production and Energy Harvesting的研究文章。

Part 1 文章简介

太阳能驱动的界面蒸发与湿气发电为可持续淡水及能源生产提供了极具前景的途径，然而，将两者整合为单一的水电联产系统（WECPS）在很大程度上尚未实现。本研究设计了一种具有工程化离子和水分梯度的双梯度气凝胶（DGA），该材料能够同时实现长效抗盐太阳能蒸发与高性能湿气发电。其中，利用两种表面活性剂进行非对称离子掺杂所构建的离子梯度，可驱动定向离子扩散以增强电能输出；而源于亲疏水性差异及非对称孔隙结构的水分梯度，则维持了持续的水分与离子传输，并诱导马兰戈尼效应（Marangoni effect）以确保蒸发过程不中断。结果表明，基于DGA的WECPS所提供的功率密度比均质气凝胶高出324倍，且在高盐度环境下仍能保持长达七天的稳定太阳能蒸发性能。此外，户外DGA阵列WECPS在实际工况下也验证了其同步生产淡水与收集能源的能力。这些发现为开发高效、自维持的水电联产技术开辟了一条切实可行的途径。

‍Part 2 主要图表

图1是DGA 的工作机制及 WECPS 阵列的户外运行表现。(a) 均质气凝胶（HA）结构示意图：由于缺乏梯度结构，导致盐分沉积及发电持续时间短等问题。(b) 用于太阳能驱动界面蒸发与湿气发电的 DGA 示意图：DGA 内部形成的离子和水分梯度赋予了其抗盐性能并确保了稳定的电力输出。(c) 规模化水-电联产集成系统（WECPS）示意图：该系统利用太阳能驱动界面蒸发生产淡水并储存于水塔中，同时通过湿气发电产生电能并储存于储能站内。

图2是DGA的设计与表征。(a) 尺寸为 3 cm × 3 cm × 0.6 cm 的 DGA 俯视图和侧视图照片。(b) DGA 的截面 SEM 图像。(c) SPP 层和 (d) CPP 层的截面 SEM 图像。(e) DGA 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 的高分辨率 XPS 光谱。(h) SPP 和 CPP 层的接触角。(i) 湿态 DGA 在拉伸、按压、弯曲和扭转条件下的光学照片。

图3是电输出性能特征。HA-1、HA-2 和 DGA 在 80% 相对湿度（RH）和 25 ± 2°C 条件下的 (a) 开路电压（Voc）和 (b) 短路电流（Isc）输出。HA-1、HA-2 和 DGA 在 80% RH 和 25 ± 2°C 条件下，随外部负载电阻变化的 (c) 电流密度和 (d) 输出功率密度。(e) 室温下随相对湿度（RH）变化而变化的 Voc 和 Isc 输出。(f) DGA 在周期性湿度切换循环下的 Voc 随时间变化的输出情况；插图展示了特定时间点的放大细节。(g) DGA 在 80% RH 和 25 ± 2°C 条件下，经 500 g 重物施加不同时长压力后的 Voc 输出；光学照片展示了 DGA 承受 500 g 重物压力及卸载的过程。(h) DGA 在 80% RH 和 25 ± 2°C 条件下持续 70 小时的 Voc 和 Isc 输出。

图4是发电机制验证。(a) DGA 中水分子自发吸附过程。(b) 水分子诱导 DGA 两侧聚合物链上自由离子（Na⁺ 和 Br⁻）的解离。(c) 由离子浓度差驱动的离子（Na⁺ 和 Br⁻）自发扩散。(d) 不同相对湿度（RH）下 SPP 和 CPP 的相对表面电势。(e) 0% RH（上图）和 80% RH（下图）条件下 SPP 层的相对表面电势。(f) 0% RH（上图）和 80% RH（下图）条件下 CPP 层的相对表面电势。(g) SPP 层和 CPP 层的 Zeta 电位（ζ）。(h) 稳态下沿 DGA 厚度方向计算得到的 Na⁺ 和 Br⁻ 离子分布曲线。(i) 稳态下沿 DGA 厚度方向计算得到的感应电势分布曲线。

图5是太阳能驱动的界面蒸发特性。(a) 在1个太阳光照强度下，纯水、HA-1和DGA蒸发器的表面温度随加热时间的变化曲线。(b) 在1个太阳光照强度下，纯水、HA-1和DGA蒸发器在0、10、30和60分钟时的红外热成像图。(c) DGA蒸发器在0和60分钟时，主体水域与蒸发器表面的温度分布红外热成像图。(d) 在1个太阳光照强度下，DGA蒸发器的表面温度和主体水温随时间的变化。(e) 在1个太阳光照强度下，纯水、HA-1和DGA蒸发器的质量随时间的变化。(f) DGA中水的状态。(g) 纯水、HA-1和DGA中中间水（IW）与自由水（FW）的比例。(h) 在1个太阳光照强度下，纯水、HA-1和DGA的计算等效焓变及蒸发效率。(i) 在0.5至2个太阳光照强度下，DGA蒸发器的质量随时间的变化。

图6是抗盐能力。(a) DGA蒸发器中水传输通道的示意图。(b) HA-1和DGA蒸发器在七个循环周期内每小时的蒸发速率。(c) 首次循环实验中，HA-1和DGA蒸发器表面在0、5和9小时时的实物照片。(d) DGA蒸发器与此前报道的蒸发器在不同浓度盐水中的蒸发性能对比。

图7是户外太阳能水净化与发电性能。(a) 户外海水淡化装置示意图。(b) 辐照强度、温度、湿度及产水率随时间的变化。(c) 户外海水淡化装置在 7:00、10:00、14:00 和 17:00 的实物照片。(d) 黄海海水净化前后的离子浓度。(e) 由 4 × 2 阵列（串并联组合）充电的电容器示意图。(f) 电容器（1000 µF）的开路电压（Voc）随时间的变化及相应的电路图。(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 灯带的实物照片，灯带由 4 × 2 阵列（串并联组合）的已充满电的 1000 µF 电容器供电。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74057

引用：Ni, Anqi, et al. "Bio-Inspired Dual-Gradient Aerogel Enables Sustainable Freshwater Production and Energy Harvesting." Advanced Materials (2026).

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