全球淡水短缺危機日益嚴峻，約 40 億人正面臨水資源匱乏的困境。盡管國際社會已付出諸多努力，但距離實現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標第六項—— " 確保人人享有清潔飲用水 " 仍有顯著差距。傳統(tǒng)的多級閃蒸、多效蒸餾及反滲透等水凈化技術(shù)，因能耗巨大、基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)雜、成本高昂，在欠發(fā)達地區(qū)難以大規(guī)模推廣。在此背景下，界面太陽能蒸汽生成技術(shù)因其通過光熱材料將熱量局域在蒸發(fā)界面，展現(xiàn)出高效、可持續(xù)的產(chǎn)水潛力，成為緩解淡水危機的熱點研究方向。然而，現(xiàn)有水凝膠基太陽能蒸發(fā)器受限于內(nèi)部水傳輸能力，在高強度太陽光照下性能急劇下降，穩(wěn)定性差，嚴重阻礙了其實用化進程。

針對上述挑戰(zhàn)，青島大學(xué)隋坤艷教授、范汶鑫副教授和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校余桂華教授合作開發(fā)了一種超低密度剛性網(wǎng)絡(luò)水凝膠材料，該研究通過創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計，成功打破了傳統(tǒng)水凝膠在高光強下水傳輸速率受限的瓶頸。實驗表明，這種超低密度剛性網(wǎng)絡(luò)水凝膠在 10 倍太陽光強下可實現(xiàn)高達 25.57 千克每平方米每小時的蒸發(fā)速率，并在 100 小時連續(xù)運行中保持穩(wěn)定。在戶外實際測試中，一套低成本系統(tǒng)每天每平方米可生產(chǎn) 138 升淡水，展示了其解決偏遠及欠發(fā)達地區(qū)分散式供水的巨大潛力。相關(guān)論文以 "Ultralow-density rigid network hydrogels enable ultrafast and stable solar water desalination" 為題，發(fā)表在 Nature Communications 上。

圖 1. 不同水凝膠基太陽能蒸發(fā)器在水蒸發(fā)過程中的水傳輸機制示意圖。

研究人員利用海藻酸鈉與低分子量殼聚糖通過簡單的反應(yīng)擴散方法，成功合成了超低密度剛性網(wǎng)絡(luò)水凝膠。通過掃描電鏡圖像（圖 2c）可以看出，該水凝膠具有高度互連的多孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于蒸發(fā)過程中的水分傳輸。隨著海藻酸鈉濃度從 0.25% 增加至 1%，水凝膠的飽和水含量從 96.96% 逐漸下降至 92.26%（圖 2d）。其中，網(wǎng)絡(luò)密度最低的 ULR-1 水凝膠在 1 倍太陽光強下表現(xiàn)出 2.67 千克每平方米每小時的優(yōu)異蒸發(fā)速率和 93.3% 的高能量轉(zhuǎn)換效率（圖 2e）。尤為關(guān)鍵的是，ULR-1 水凝膠在 10 倍太陽光強照射下，不僅能維持原始形態(tài)，更實現(xiàn)了約 25.57 千克每平方米每小時的超高速率（圖 2f，g）；相比之下，常規(guī)聚丙烯酰胺 / 聚吡咯水凝膠在 6 倍太陽光強以上即發(fā)生嚴重變形，完全失效。此外，ULR-1 水凝膠在 100 小時連續(xù)運行中展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性（圖 2h），其綜合性能遠超已報道的代表性工作（圖 2i）。

圖 2. ULR 水凝膠的制備、表征及太陽能蒸汽生成性能。 a ULR 水凝膠的合成過程及照片。 b ULR 大尺寸水凝膠的照片。 c ULR-1 水凝膠橫截面形貌的掃描電鏡圖像。插圖為該區(qū)域放大視圖。 d 不同海藻酸鈉濃度的 ULR 水凝膠的水含量。 e 不同 ULR 水凝膠基蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和能量效率。 f ULR-1 水凝膠基蒸發(fā)器和普通水凝膠基蒸發(fā)器在不同太陽光強下的蒸發(fā)速率。紅色 × 標記表示常規(guī)水凝膠蒸發(fā)器在光照強度超過 6 倍太陽光強時運行失敗。 g ULR-1 水凝膠和普通水凝膠在 10 倍太陽光強照射前后的形貌變化。 h ULR-1 水凝膠基蒸發(fā)器在 10 倍太陽光強下連續(xù) 100 小時太陽能海水淡化的耐久性測試。插圖：ULR-1 水凝膠基蒸發(fā)器在第 1 小時和第 100 小時蒸發(fā)的質(zhì)量曲線。 i 不同太陽光強下已報道的代表性工作的蒸發(fā)速率比較。圖 d-f 中誤差棒：標準差。

為了揭示超低密度剛性網(wǎng)絡(luò)水凝膠在高光強下的優(yōu)異性能機制，研究團隊依據(jù) Flory-Rehner 理論進行了模擬分析。模擬結(jié)果顯示（圖 3a，b），蒸發(fā)過程中水凝膠內(nèi)部從非光照側(cè)到光照側(cè)形成聚合物鏈密度梯度，即滲透壓梯度，該梯度驅(qū)動水從低光照區(qū)域向高光照區(qū)域傳輸。實驗與理論計算表明，超低初始聚合物鏈密度的 ULR 水凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)更高的最大水傳輸速率，甚至超過了傳統(tǒng)理論極限值（圖 3c）。而常規(guī)水凝膠由于柔性聚合物鏈缺乏有效支撐，在強光下發(fā)生嚴重收縮，多孔結(jié)構(gòu)被破壞（圖 3g，圖 3e）。掃描電鏡圖像清晰顯示，ULR 水凝膠在 10 倍太陽光強照射后仍保留了良好的多孔結(jié)構(gòu)（圖 3f）?；诖?，研究人員提出 ULR 水凝膠內(nèi)部的 " 雙驅(qū)動力 " 機制：底層主要依靠高滲透壓梯度驅(qū)動，頂層則同時依靠滲透壓梯度和毛細力共同作用（圖 3h），從而實現(xiàn)了超快水傳輸。進一步的模擬還展示了水、鹽及聚合物鏈密度在 ULR 水凝膠中的分布（圖 3i-k），證實了其優(yōu)異的水和鹽分傳輸能力。

圖 3. 聚焦太陽光下穩(wěn)定太陽能蒸汽生成性能的機理。 a 用于水傳輸模擬的水凝膠基太陽能蒸發(fā)器示意圖。 b 在不同水傳輸速率下，聚合物鏈密度隨厚度位置的變化。 c 不同初始聚合物鏈密度的 ULR 水凝膠在厚度為 0.5 毫米時的實驗與理論最大水傳輸速率。 d 不同初始聚合物鏈密度的普通水凝膠的實驗與理論最大水傳輸速率。 e ULR 水凝膠和普通水凝膠在 10 倍太陽光強照射下的收縮率。 f, g ULR 水凝膠和普通水凝膠在 10 倍太陽光強照射后的掃描電鏡圖像。 h ULR 水凝膠內(nèi)部實現(xiàn)快速水傳輸?shù)碾p驅(qū)動力示意圖。 i – k ULR 水凝膠中鹽、水和聚合物鏈密度的模擬分布。

在實用化驗證環(huán)節(jié)，研究團隊搭建了一套包含菲涅爾透鏡和三維楔形收集器的戶外水蒸發(fā)與收集系統(tǒng)（圖 4a）。在上午 8 點至下午 4 點的實地測試中，該系統(tǒng)實現(xiàn)了每天每平方米 138 升的超高淡水產(chǎn)量，總計收集到 12.42 升淡水，收集效率達到 69%（圖 4b，c）。經(jīng)凈化的海水，鈉、鎂、鉀、鈣離子濃度均降至世界衛(wèi)生組織飲用水標準以下（圖 4d）?；谌蚱骄栞椛鋸姸鹊募夹g(shù)經(jīng)濟分析表明，在吉布提等地區(qū)，該系統(tǒng)約 10 天即可達到與瓶裝水相當?shù)某杀舅剑▓D 4f）。該系統(tǒng)無需外部電網(wǎng)能源，僅利用太陽能即可被動產(chǎn)水，為缺乏基礎(chǔ)設(shè)施的偏遠及災(zāi)后地區(qū)提供了低碳、經(jīng)濟且可持續(xù)的清潔水解決方案。

圖 4. 戶外實際產(chǎn)水實驗與分析。 a 太陽能海水淡化實驗裝置照片。 b 戶外太陽能海水淡化期間，不同時段收集的淡水質(zhì)量、戶外太陽光強度、溫度、對流強度及濕度。光斑面積約為 900 平方厘米。 c 上午 8 點至下午 4 點收集的淡水總量照片。 d 海水及經(jīng) 10 倍太陽光強淡化后純化水中四種主要離子的實測濃度。 e 長期平均太陽輻射強度的全球分布圖。地圖數(shù)據(jù)來源于 " 全球太陽能地圖集 2.0"，該免費網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用由 Solargis 公司代表世界銀行集團開發(fā)運營，使用 Solargis 數(shù)據(jù)，并由能源部門管理協(xié)助計劃提供資金。 f 我們系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟分析揭示了全球不同地區(qū)水價與運行時長之間的關(guān)系。

總結(jié)而言，該研究通過超低密度剛性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，成功克服了傳統(tǒng)水凝膠在蒸發(fā)過程中水傳輸速率的內(nèi)在限制，將毛細力與滲透壓梯度泵送機制相結(jié)合，實現(xiàn)了在強太陽光照下穩(wěn)定且超快的太陽能產(chǎn)水。未來，進一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及水收集系統(tǒng)，有望在現(xiàn)實環(huán)境中提高產(chǎn)水效率和實用性。該方法不僅有望顯著提升全球水安全和經(jīng)濟可持續(xù)性，讓脆弱社區(qū)也能獲得清潔飲用水，還可在從海水和工業(yè)鹵水中提取有價值鹽類和礦物質(zhì)方面發(fā)揮廣闊應(yīng)用前景，為實現(xiàn)資源可持續(xù)回收和循環(huán)水管理開辟新路徑。