清洁水的短缺催生了对可持续净化技术的迫切需求。太阳能驱动的界面蒸发被视为一种极具吸引力的方法，但该技术仍面临盐结晶、机械性能薄弱及光热利用效率不足等问题。
针对上述问题，南京林业大学马文静、浙江师范大学陆海峰合作，开发了一种双仿生协同结构纳米纤维气凝胶（PPMPAN），用于高效海水净化与太阳能发电。该气凝胶通过定向冷冻干燥法制备，形成模拟植物水分传输的垂直排列通道，从而提升毛细输水能力、机械稳定性与抗盐性。同时，利用多孔金属有机框架（MOFs）、聚多巴胺（PDA）和聚吡咯（PPy）进行表面修饰，构建出仿珊瑚的多级结构，显著提高了宽带太阳能吸收率（≈94.07%）与界面亲水性。
树形通道与珊瑚状多尺度表面的协同整合，使 PPMPAN 气凝胶实现了高效的太阳能驱动水蒸发，在 1 个太阳光照下蒸发速率达 2.60 kg・m⁻²・h⁻¹。该气凝胶能在 25 wt.% 盐溶液、pH 1-13 的酸碱环境中稳定运行，且可连续使用 50 小时。此外，该气凝胶还具备多功能性，不仅能净化含油废水，还可在太阳照射下发电。本研究为太阳能蒸发器的制备提供了一种可规模化、环境友好的策略，有望解决水 - 能源关联领域的核心挑战。相关研究成果以“Dual-biomimetic synergistic structured aerogel for high-performance solar-driven water purification and power generation”为题目，发表在期刊《Water Research》上。
图 1. PPMPAN 的设计灵感来源及应用场景。
PAN 气凝胶的制备包括均质化、定向冷冻、冷冻干燥和热交联过程。定向冷冻时，冰晶从模具底部垂直生长，引导均匀分布的 PAN 纳米纤维沿冰晶排列，经冷冻干燥和热交联后形成取向规整的气凝胶。随后通过原位水热合成和聚合反应，在 PAN 纳米纤维上直接合成多种纳米颗粒。MOF 颗粒为多面体结构，尺寸大于 400 nm；PDA 颗粒为球形，直径约 200-400 nm；PPy 颗粒尺寸通常小于 200 nm，倾向于在 MOF 和 PDA 颗粒表面聚集生长。
PPMPAN 气凝胶具有垂直排列的通道和有序的蜂窝状孔隙结构，确保输水通道畅通高效，且内部孔隙未被纳米颗粒堵塞；放大的 SEM 图像显示，PPMPAN 表面致密均匀地覆盖着不同尺寸的纳米颗粒，形成多尺度层级纳米结构，通过多尺度散射和反射增强光捕获，拓宽吸收带宽，提升太阳能利用率，同时为油水分离和防污提供优势。能量色散谱（EDS）进一步证实 MOF、PDA 和 PPy 纳米颗粒成功且均匀地负载到 PAN 纳米纤维基底上。
图 2. (a) PPMPAN 的制备流程；(b) PPMPAN 的顶部扫描电子显微镜（SEM）图像、(c) PPMPAN 的侧面扫描电子显微镜（SEM）图像；(d) PPMPAN 多级结构的扫描电子显微镜（SEM）图像；(e) PPMPAN 的能量色散谱（EDS）分析。
经多次修饰后，气凝胶仍保持超低密度（图 3e）和结构完整性。同时，PPMPAN 在低密度下保持高强度结构和良好的机械性能：图 3f 显示，在 80% 应变下，PPMPAN 气凝胶的压缩应力达 247 kPa，显著高于 PMPAN（176 kPa）、MPAN（109 kPa）和 PAN（44 kPa）气凝胶。其高强度源于柔性 PAN 纳米纤维与 PVA 自组装形成的取向结构，以及负载颗粒的额外增强作用，两者共同使 PPMPAN 能有效分散外部应力。样品在不同压缩幅度下均保持优异弹性，多次压缩后结构完好；即使在 80% 形变下，PPMPAN 气凝胶也能快速恢复原状，无结构损伤。循环压缩测试证实其耐久性：在 80% 应变下经 50 次压缩 - 回弹循环后，PPMPAN 气凝胶的应力曲线变化极小（图 3h），这归因于强化学键和垂直排列的三维通道结构，可均匀分散压缩应力并实现快速形变恢复。这种优异的机械稳定性使 PPMPAN 气凝胶在长期运行中能保持原始结构状态和稳定性能。得益于仿生结构，气凝胶材料不仅机械性能增强，输水性能也显著提升：修饰后的气凝胶水渗透时间仅为 2 秒（图 3i），优于其他阶段的样品。
图 3. (a) 不同样品的傅里叶变换红外光谱（FTIR）图；(b) MPAN 与 PPMPAN 的 X 射线光电子能谱（XPS）全谱图；(c) PAN、MPAN、PMPAN 及 PPMPAN 的 C 1s 高分辨 XPS 谱图；(d) MPAN 的 Co 2p 高分辨 XPS 谱图；(e) 不同样品的密度及实物照片；(f) 不同样品在 80% 压缩应变下的压缩应力 - 应变曲线；(g) PPMPAN 样品在不同应变下的压缩回弹曲线；(h) PPMPAN 气凝胶的压缩回弹循环曲线；(i) 不同气凝胶样品的水分传输速率（附图：样品与滤纸接触水 2 秒后的状态图）。
采用氙灯装置测试 PPMPAN 气凝胶的太阳能蒸发性能（图 4a）。得益于取向输水通道和多尺度层级纳米结构，气凝胶形成高效光捕获界面，全光谱太阳能吸收率达≈94.07%（图 4b），展现出宽带光吸收特性。PDA 和 MOF 对整体光吸收贡献较小，但在构建仿珊瑚仿生结构中起关键作用。图 4c 显示，PPMPAN 在初始 10 分钟内温度升高 10℃（前 5 分钟升高 8℃），随后趋于稳定，在接下来的 40 分钟内再升高 2℃，总升温达 20℃；相比空白样品和纯水，PPMPAN 的表面温度分别升高 10℃和 11℃。这种温度升高证实材料具有优异的光热效率，其源于光捕获纳米颗粒促进太阳光的内部反射。温度升高对应蒸发速率的提升，表明微观尺度上多尺度层级结构的成功构建，是蒸发能力显著增强的关键因素，使 PPMPAN 的蒸发速率达 2.60 kg・m⁻²・h⁻¹，峰值温度达 35.8℃（图 4d）
图 4. (a) 蒸发性能测试装置示意图及其高效蒸发原理示意图；(b) 不同样品的太阳能吸收率曲线；(c) 不同样品的温度-时间曲线；(d) 不同样品的质量变化-时间曲线；(e) 不同光照强度下样品的表面温度；(f) 不同光照强度下样品的质量变化-时间曲线；(g) 本研究蒸汽发生器的水蒸发速率及转换效率与已报道研究的性能对比；(h) PPY/PDA/MOF/PAN 气凝胶 50 小时的水蒸发速率变化曲线。
PPMPAN 气凝胶蒸发器表现出优异的抗盐性：在极端盐浓度（50-250 g・kg⁻¹）下，蒸发速率分别稳定在 2.53、2.39 和 1.88 kg・m⁻²・h⁻¹（图 5b）；在 3.5 wt.% 氯化钠溶液中连续运行 20 小时，无盐积累，蒸发速率稳定在 2.39 kg・m⁻²・h⁻¹（图 5c）。PPMPAN 的高效蒸发和抗盐机制依赖于层级多孔网络中输水与离子扩散的动态平衡（图 5e）：亲水通道持续向蒸发表面供水，同时为离子反向扩散提供低阻力路径，维持稳定的界面液膜。当盐水从亲水底层向上传输时，蒸发过程中形成的浓盐水和盐晶体通过互联路径快速再溶解并扩散回本体溶液；太阳照射下，局部表面加热加速水蒸发和离子反向扩散，促进盐的高效再分布，避免界面区域达到过饱和。这种毛细补水、局部加热和离子扩散的自调节过程，有效抑制盐结晶，使 PPMPAN 能在 15 wt.% 氯化钠溶液中稳定高效蒸发 15 小时。
图 5. (a) 蒸发器的蒸汽产生过程；(b) 不同盐含量水体的蒸发速率；(c) PPMPAN 对模拟海水的 20 小时连续蒸发实验及不同时间点蒸发器表面无盐累积状态图；(d) 蒸发器脱盐过程示意图；(e) 高效蒸发原理示意图；(f) 不同 pH 值废水的处理效果；(g) 含染料废水处理前后的吸收曲线；(h) 不同废水处理前后的总有机碳（TOC）值；(i) 蒸发器吸附污染物原理示意图；(j) 不同水环境下水稻种子的萌发情况；(k) 自来水与净化水培育水稻的生长高度变化曲线。
通过测试水接触角（WCA）和水下油接触角（UOCA）评估 PPMPAN 气凝胶的油水分离能力：PPMPAN、MPAN 和 PAN 气凝胶的 WCA 均为 0°（图 6a），表明 PAN 基底固有的亲水性；经纳米颗粒修饰后，水滴润湿时间从 PAN 的 0.2 秒缩短至 PPMPAN 的 0.04 秒，这归因于表面粗糙度增强和亲水基团的引入。UOCA 测试（图 6b）证实 PPMPAN 具有强水下疏油性，对多种油类保持高接触角，这是高效油水分离和抗油污的关键特性。
PPMPAN 在含油废水中的高效蒸发得益于优异的拒油性能：红色己烷液滴可轻易从 PPMPAN 蒸发器下表面滚落脱离，验证其优异的水下拒油性（图 6c）；而 PAN 气凝胶易被油滴污染。PPMPAN 对油水混合物和盐水混合物的净化速率测试显示，其蒸发速率分别为 1.65 和 1.475 kg・m⁻²・h⁻¹（图 6d）；净化前后的光学和显微图像显示，处理前存在大量油滴，处理后油滴完全消失，证实 PPMPAN 的有效分离能力。
图 6. (a) PPMPAN 的水接触角（WCA）；(b) PPMPAN 与不同油品的水下油接触角（UOCA）；(c) PPMPAN 气凝胶蒸发器的抗油粘附性能；(d) 油水混合物及盐水混合物的净化速率；(e) 油水分离装置及其分离效果；(f) 不同油水混合物的分离通量；(g) 油水乳液及滤液的粒径数据；(h) PPMPAN 的循环过滤通量；(i) 各循环次数下样品的粒径分析；(j) 油水乳液与滤液的总有机碳（TOC）值及 PPMPAN 对不同乳液的分离效率；(k) 油水乳液分离机理示意图。
图 7. (a) 太阳能驱动蒸汽发电原理示意图；(b) 不同高度 PPMPAN 的电压输出；(c) PPMPAN 的光循环响应电压（1 个太阳光照）；(d) 光循环过程中样品表面的对应温度；(e) 1 个太阳光照下 PPMPAN 蒸发 3.5、7、15 wt.% 氯化钠溶液时的电压输出；(f) 不同太阳光照强度下 PPMPAN 的电压输出；(g) 不同太阳光照强度下 PPMPAN 的对应表面温度；(h) 盐水环境中 PPMPAN 串联后的电压输出；(i) 不同时段的太阳光照强度及蒸发器的发电性能与蒸发速率；(j) 户外集成装置实物示意图。
本研究通过 PAN/PVA 混合物的定向冷冻浇铸，经冷冻干燥、热交联、表面修饰和原位聚合等一系列步骤，成功构建了具有树形通道仿生垂直结构和多级仿珊瑚独特层级纳米结构的 PPMPAN 气凝胶，该结构兼具高效输水和宽带光吸收拓扑特性。PPMPAN 中的垂直结构水通道实现了 2.60 kg・m⁻²・h⁻¹ 的超高蒸发速率；其光子纳米结构通过协同拓扑架构，实现 94.07% 的宽带吸收和 99.62% 的光热效率。此外，PPMPAN 展现出优异的亲水性（<2 秒完全润湿）和抗盐性（在 25 wt.% 盐浓度下稳定运行 50 小时）。除脱盐外，这种仿生蒸发器还具有染料和油水乳化液的多功能净化能力，同时实现太阳能增强发电（2.5 sun 照射下最大电压 59 mV）。PPMPAN 气凝胶蒸发器在海水和废水可持续淡水及能源生产中具有巨大潜力，为解决全球水资源短缺挑战提供了可行策略。本研究的创新之处在于，采用树形启发的垂直结构设计气凝胶框架，结合仿珊瑚架构构建多级光捕获结构，为下一代太阳能驱动界面蒸发系统建立了新颖设计范式，实现高效蒸发与光增强发电的协同作用。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.124983
