CEJ |植物啟發的梯度孔隙氣凝膠，實現快速水傳輸和低蒸發焓，實現界面蒸發

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研究背景

由人口增長、工業發展和氣候變化驅動的全球淡水短缺危機日益嚴峻，太陽能驅動界面蒸發技術因其高能效、可持續性和多功能性，成為獲取清潔淡水的重要途徑。近年來，基于多孔結構的三維蒸發器研究取得顯著進展，其蒸發性能本質上取決于表面光熱轉換、結構設計及熱管理，其中提升水傳輸速率和降低蒸發焓尤為關鍵。然而，水傳輸速率與蒸發焓對孔徑的需求存在固有矛盾：小孔徑可降低蒸發焓（因毛細效應增強水分子逃逸），但會顯著減緩水傳輸；大孔徑雖利于快速供水，卻導致較高的蒸發焓。傳統策略多采用折中孔徑以平衡二者，但不可避免地犧牲部分性能。受自然界植物（如桉樹）從根部到葉片呈現梯度遞減孔徑以實現高效水分輸運和蒸騰的啟發，能否通過仿生梯度孔結構設計，在同一蒸發器中同時實現快速水傳輸和低蒸發焓，從而打破這一權衡，成為界面蒸發領域的前沿挑戰。基于此，本研究采用TEMPO氧化納米纖維素（TO-CNFs）與金屬有機框架（MIL-53(Al)）為原料，通過定向冷凍鑄造構筑仿生梯度孔氣凝膠（PGA），并在其表面噴涂MXene光熱層，系統研究梯度孔結構對水傳輸速率、蒸發焓及整體蒸發性能的影響機制，旨在開發一種兼具高速供水與低能耗蒸發的界面蒸發器。

相關工作以“Plant-inspired gradient-pore aerogel achieving both fast water transport and low evaporation enthalpy for interfacial evaporation”為題發表于《Chemical Engineering Journal》（JCR一區，中科院一區TOP，IF=13.3）上。

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研究內容

本研究受植物梯度孔結構啟發，通過定向冷凍鑄造技術制備了MOF@TO-CNF梯度孔氣凝膠（PGA），其孔徑從底部（~15 μm）到頂部（~2 μm）逐漸減小，并在頂部噴涂MXene作為光吸收層。該設計將大孔（底部）促進快速水傳輸與小孔（頂部）降低蒸發焓的功能分區整合于同一材料中，同時利用MOF的納米籠結構增加微孔（~3.5 nm）及與水分子的強相互作用，進一步降低蒸發焓。實驗表明，PGA的水傳輸速率高達204.42 g/min，遠超均勻孔氣凝膠（156.28 g/min）和反向梯度孔氣凝膠（27.26 g/min），其等效蒸發焓低至983.38 J/g，與均勻小孔氣凝膠相當。在1個太陽光強下，PGA蒸發器對人工海水（3.5 wt% NaCl）的蒸發速率達3.60 kg m?2 h?1，光熱轉換效率達98.34%，且具備優異的自脫鹽性能（預置鹽晶在2小時內完全溶解）和長期穩定性（30小時連續運行無鹽沉積）。此外，該蒸發器在蒸發過程中可同步產生電能（開路電壓~74.2 mV，短路電流~2.0 mA），并在戶外自然光照下實現6.8 kg m?2的日淡水產量，水質滿足WHO飲用水標準。該研究通過局部功能匹配的梯度孔設計，無需妥協即可同時最大化水傳輸和水分子解離，為高性能界面蒸發器的開發提供了新途徑。

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研究數據

圖1. PGA的制備流程示意圖及植物梯度孔結構對比。

圖2. TO-CNF與MOF@TO-CNF的水穩定性、接觸角、FTIR、XPS、XRD、TEM及Zeta電位表征。

圖3. PGA的SEM和Micro-CT圖像、孔徑分布（頂部~2 μm，底部~15 μm）以及BET比表面積和微孔分布（~3.5 nm）。

圖4. 不同氣凝膠的水傳輸速率對比、暗態質量變化、DSC蒸發焓曲線及分子動力學模擬的水分子密度分布。

圖5. 蒸發性能測試裝置、光吸收光譜、紅外熱像、蒸發速率對比（PGA 3.60 kg m?2 h?1）、效率（98.34%）及30小時循環穩定性。

圖6. 自脫鹽機制示意圖、高鹽（25 wt%）下蒸發性能、發電性能（電壓/電流）、戶外淡化系統及離子濃度對比。

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研究結論

本研究成功開發了一種植物啟發的梯度孔氣凝膠（PGA），通過定向冷凍鑄造將孔徑從底部的約15 μm連續遞減至頂部的約2 μm，巧妙地解決了界面蒸發器中快速水傳輸與低蒸發焓對孔徑需求的固有矛盾。該PGA蒸發器底部大孔賦予其高達204.42 g/min的水傳輸速率，頂部小孔結合MOF的強水分子相互作用，使蒸發焓降至983.38 J/g，兩者協同作用下，在1個太陽光強下實現了3.60 kg m?2 h?1的優異蒸發速率和98.34%的光熱轉換效率，且對高鹽鹽水（25 wt% NaCl）表現出穩定的自脫鹽能力，預置鹽晶可在2小時內完全溶解。此外，該蒸發器在蒸發過程中可產生穩定的流電動勢（開路電壓~74.2 mV），并在戶外自然光下實現6.8 kg m?2的淡水日產量，水質達標。與均勻孔或反向梯度孔結構相比，PGA的性能全面提升，證實了梯度孔設計在最大化供水與最小化能耗方面的獨特優勢。該工作為突破傳統多孔蒸發器的性能瓶頸提供了簡便有效的仿生策略，并展示了在海水淡化、污水凈化和水電聯產領域的實際應用前景，未來可通過進一步優化梯度孔微結構以實現熱管理等多功能集成。

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DOI:https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165499

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