全球淡水短缺日益严峻，海水淡化成为缓解危机的重要途径。然而，传统膜法或热蒸馏能耗高，绿色低耗的太阳能界面蒸发技术虽具潜力，却在高盐环境下容易结盐，导致效率骤降甚至失效。针对这一长期难题，悉尼科技大学付强团队开发出创新的三维分级结构水凝胶蒸发器（SPBH）。该装置通过“中心直通道结合径向梯度孔道”的结构设计，实现了水分子向外蒸发与盐离子向内迁移的解耦，有效抑制结盐并提升能效。更重要的是，本研究首次通过数值模拟揭示了“冷蒸发”机理。在20 wt%高盐溶液中，装置可稳定运行15小时无结盐，户外实测日产水量达67.2 L m^-2，并展现零液排放与资源回收潜力，为高效、稳定、可持续的太阳能淡化与工业盐水处理提供了新思路。

  该工作以“Decoupling Transport of Salt Ions and Water in Hierarchically Structured Hydrogel for High Salinity Desalination”为题发表在《Advanced Materials》上。悉尼科技大学博士石艺涵为第一作者，悉尼科技大学付强副教授、黄宇涵博士，魏薇博士为本论文共同通讯作者。本研究得到澳大利亚研究理事会（ARC）的资金支持。

  本研究利用静态定向冻铸技术构建了具有径向梯度孔道的三维水凝胶蒸发器（SPBH）。在此基础上，研究团队通过后续引入一根亲水纤维作为“中心通道”，显著提升了纵向供水能力。这种双重设计实现了分级水输运：亲水纤维快速将水和离子沿纵向输送至蒸发器顶部，而径向梯度孔道则确保水分由内向外均匀扩散，从而构建了连续高效的补水网络。对比实验表明，与随机孔结构（RPBH）相比，SPBH展现出更强的亲水性、更快的吸水速率和更高的吸水容量，为其在高强度蒸发环境下保持稳定供水奠定了基础。

  材料选择上，聚乙烯醇（PVA）作为高分子骨架提供了优良的亲水性和机械强度，而来源于咖啡渣、木屑和橙皮的生物炭则赋予了体系高效的光热转换能力和环境可持续性。生物炭的引入进一步增强了光热性能，其中咖啡渣衍生的生物炭（Bio-CG）因富含含氧官能团而表现最佳。其与PVA基体形成更强的界面作用，显著提高了光吸收和水分活化效率。拉曼光谱表明，SPBH-CG中间水含量比例最高，从而有效降低了蒸发焓。在太阳光模拟实验中，SPBH-CG表现出独特的“冷蒸发”效应：盐离子内迁带走表面热量，使蒸发表面温度低于环境温度，从而额外吸收环境热量，显著提升了能效。这一现象在红外热成像与CFD模拟中得到验证，后者揭示了冷蒸汽下沉与对流换热增强的规律。

  在性能表现方面，SPBH-CG在去离子水、海水和20 wt%高盐溶液中均保持高效蒸发速率（最高可达12 kg m^-2 h^-1），且随着高径比的增加，蒸发面积指数（EAI）提高，推动了能效突破理论极限。根据现有最常用的效率计算公式，其表观太阳能转化蒸汽效率甚至超过500%。然而，这一数值显然违背能量守恒规律，主要源于计算过程中忽略了中间水降低蒸发潜热的作用，以及三维蒸发器从环境吸热的贡献未被合理归因。因此，这种“超常”效率更应理解为当前常用计算方法局限性的体现，而非材料本征物理性能的真实反映。正如近期研究(Energy & Environmental Science 2024, 17, 2088)所强调的，亟需建立统一、合理的效率评价体系，以避免误导性比较，并推动太阳能蒸发研究回归对能量收支与应用性能的真实表征。

  户外实测进一步证明了其应用潜力。在集成”蒸发-冷凝-收集”系统中，SPBH在8小时自然光照下实现了82.7 L m^-2的蒸发量与67.2 Lm^-2的淡水收集量，产水离子浓度大幅降低至饮用水标准以下。这些结果表明，通过“亲水纤维中心通道+径向孔道”的结构创新与冷蒸发机理的引入，SPBH-CG能够在极端盐度下实现稳定排盐与高效产水，展示了向实际海水淡化与工业高盐废水处理应用转化的巨大潜力。

图1. 3D SPBH蒸发器的制备、结构设计及输水机制。

图2. 生物炭增强水凝胶的光吸收与高效蒸发性能。

图3. 蒸发面积指数（EAI）调控下的冷蒸发效应与蒸汽扩散机制。

图4. 径向排盐策略实现高盐环境下的稳定蒸发与零液排放。

图5. 户外集成系统的高效淡水产出。

  本研究是团队近年来在基于水凝胶的太阳能界面蒸发领域取得的重要最新进展之一。过去三年中，团队始终从材料学的角度出发，系统开展了多维度探索，成功制备并研究了一系列新型水凝胶材料。例如，在光热转换方面，团队合成了先进的光热材料（EES Solar, DOI:10.1039/D5EL00097A；Environmental Functional Materials, 1(2), 196-203；Nanoscale, 16(9), 4628-4636）；在聚合物结构–性能关系方面，揭示了化学结构与物理特性对水凝胶蒸发性能的深刻影响（Journal of Materials Chemistry A, 11(2), 858-867；11(42), 23062-23070）；同时，开发了双层多功能水凝胶（Chemical Engineering Journal 513, 162838；Materials Today Sustainability, 26, 100753）、3D 打印水凝胶（Materials Horizons 12, 3897-3906）等多类创新体系。在此基础上，团队还持续推动多功能水凝胶的构建、特殊微观结构设计以及高性能水生产装置的开发与制造，逐步建立起完整的研究体系并不断拓展应用边界。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202505139