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  全球淡水短缺日益嚴峻，海水淡化成為緩解危機的重要途徑。然而，傳統膜法或熱蒸餾能耗高，綠色低耗的太陽能界面蒸發技術雖具潛力，卻在高鹽環境下容易結鹽，導致效率驟降甚至失效。針對這一長期難題，悉尼科技大學付強團隊開發出創新的三維分級結構水凝膠蒸發器（SPBH）。該裝置通過“中心直通道結合徑向梯度孔道”的結構設計，實現了水分子向外蒸發與鹽離子向內遷移的解耦，有效抑制結鹽并提升能效。更重要的是，本研究首次通過數值模擬揭示了“冷蒸發”機理。在20 wt%高鹽溶液中，裝置可穩定運行15小時無結鹽，戶外實測日產水量達67.2 L m^-2，并展現零液排放與資源回收潛力，為高效、穩定、可持續的太陽能淡化與工業鹽水處理提供了新思路。

  該工作以“Decoupling Transport of Salt Ions and Water in Hierarchically Structured Hydrogel for High Salinity Desalination”為題發表在《Advanced Materials》上。悉尼科技大學博士石藝涵為第一作者，悉尼科技大學付強副教授、黃宇涵博士，魏薇博士為本論文共同通訊作者。本研究得到澳大利亞研究理事會（ARC）的資金支持。

  本研究利用靜態定向凍鑄技術構建了具有徑向梯度孔道的三維水凝膠蒸發器（SPBH）。在此基礎上，研究團隊通過后續引入一根親水纖維作為“中心通道”，顯著提升了縱向供水能力。這種雙重設計實現了分級水輸運：親水纖維快速將水和離子沿縱向輸送至蒸發器頂部，而徑向梯度孔道則確保水分由內向外均勻擴散，從而構建了連續高效的補水網絡。對比實驗表明，與隨機孔結構（RPBH）相比，SPBH展現出更強的親水性、更快的吸水速率和更高的吸水容量，為其在高強度蒸發環境下保持穩定供水奠定了基礎。

  材料選擇上，聚乙烯醇（PVA）作為高分子骨架提供了優良的親水性和機械強度，而來源于咖啡渣、木屑和橙皮的生物炭則賦予了體系高效的光熱轉換能力和環境可持續性。生物炭的引入進一步增強了光熱性能，其中咖啡渣衍生的生物炭（Bio-CG）因富含含氧官能團而表現最佳。其與PVA基體形成更強的界面作用，顯著提高了光吸收和水分活化效率。拉曼光譜表明，SPBH-CG中間水含量比例最高，從而有效降低了蒸發焓。在太陽光模擬實驗中，SPBH-CG表現出獨特的“冷蒸發”效應：鹽離子內遷帶走表面熱量，使蒸發表面溫度低于環境溫度，從而額外吸收環境熱量，顯著提升了能效。這一現象在紅外熱成像與CFD模擬中得到驗證，后者揭示了冷蒸汽下沉與對流換熱增強的規律。

  在性能表現方面，SPBH-CG在去離子水、海水和20 wt%高鹽溶液中均保持高效蒸發速率（最高可達12 kg m^-2 h^-1），且隨著高徑比的增加，蒸發面積指數（EAI）提高，推動了能效突破理論極限。根據現有最常用的效率計算公式，其表觀太陽能轉化蒸汽效率甚至超過500%。然而，這一數值顯然違背能量守恒規律，主要源于計算過程中忽略了中間水降低蒸發潛熱的作用，以及三維蒸發器從環境吸熱的貢獻未被合理歸因。因此，這種“超常”效率更應理解為當前常用計算方法局限性的體現，而非材料本征物理性能的真實反映。正如近期研究(Energy & Environmental Science 2024, 17, 2088)所強調的，亟需建立統一、合理的效率評價體系，以避免誤導性比較，并推動太陽能蒸發研究回歸對能量收支與應用性能的真實表征。

  戶外實測進一步證明了其應用潛力。在集成”蒸發-冷凝-收集”系統中，SPBH在8小時自然光照下實現了82.7 L m^-2的蒸發量與67.2 Lm^-2的淡水收集量，產水離子濃度大幅降低至飲用水標準以下。這些結果表明，通過“親水纖維中心通道+徑向孔道”的結構創新與冷蒸發機理的引入，SPBH-CG能夠在極端鹽度下實現穩定排鹽與高效產水，展示了向實際海水淡化與工業高鹽廢水處理應用轉化的巨大潛力。

圖1. 3D SPBH蒸發器的制備、結構設計及輸水機制。

圖2. 生物炭增強水凝膠的光吸收與高效蒸發性能。

圖3. 蒸發面積指數（EAI）調控下的冷蒸發效應與蒸汽擴散機制。

圖4. 徑向排鹽策略實現高鹽環境下的穩定蒸發與零液排放。

圖5. 戶外集成系統的高效淡水產出。

  本研究是團隊近年來在基于水凝膠的太陽能界面蒸發領域取得的重要最新進展之一。過去三年中，團隊始終從材料學的角度出發，系統開展了多維度探索，成功制備并研究了一系列新型水凝膠材料。例如，在光熱轉換方面，團隊合成了先進的光熱材料（EES Solar, DOI:10.1039/D5EL00097A；Environmental Functional Materials, 1(2), 196-203；Nanoscale, 16(9), 4628-4636）；在聚合物結構–性能關系方面，揭示了化學結構與物理特性對水凝膠蒸發性能的深刻影響（Journal of Materials Chemistry A, 11(2), 858-867；11(42), 23062-23070）；同時，開發了雙層多功能水凝膠（Chemical Engineering Journal 513, 162838；Materials Today Sustainability, 26, 100753）、3D 打印水凝膠（Materials Horizons 12, 3897-3906）等多類創新體系。在此基礎上，團隊還持續推動多功能水凝膠的構建、特殊微觀結構設計以及高性能水生產裝置的開發與制造，逐步建立起完整的研究體系并不斷拓展應用邊界。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202505139