日本信州大学朱春红/施建等：仿鱼鳃双效全生物质气凝胶蒸发器克服盐积累，实现可持续太阳能脱盐

Nuo Liu, Chunqing Niu, Xin Zhang, Deqian Yang, Weiyang Gu, Guangyu Zhang, Haifeng Zhang*, Chunhong Zhu*, Jian Shi*

Nano-Micro Letters (2026)18: 435

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02284-8

图1c展示单效CA37-CB-F模式在日常环境和中低盐水中的快速蒸发，蒸发速率可达2.88 kg m⁻² h⁻¹。图1d显示双效CA37-CB-SF模式在20 wt% NaCl中连续运行24 h，未发生盐结晶。图1e从蒸发速率、耐盐性、干/湿稳定性及生态安全性四方面比较代表性体系，CA37-CB表现出综合优势。图1f说明两种模式可按场景切换：中低盐度采用高通量F模式，超高盐度采用强调长期稳定性的SF模式。图1g进一步提出仿鱼鳃环境感知概念，将热电传感用于太阳能蒸发过程的天气监测。

图1. a 鱼鳃仿生启发；b 耐盐生物质蒸发器设计；c CA37-CB-F蒸发器在单效模式和不同日常环境条件下的快速水蒸发；d CA37-CB-SF蒸发器在双效模式及20 wt% NaCl中的长期稳定蒸发；e CA37-CB与代表性文献体系在蒸发速率、耐盐性、干/湿稳定性和生态安全性方面的比较；f 双模式切换的应用条件与优势；g 仿鱼鳃感知向热电传感的概念拓展。

图2. a 仿鱼鳃生物质气凝胶蒸发器的制备示意图；b 超轻特性；c 规模化制备；d 形状适应性；e CA19-CB、f和i CA37-CB、g CA55-CB、h CA37及j CB的SEM图；k CA37-CB润湿性；l 干态重载测试；m CB和CA37-CB的Raman谱；n 70%应变下压缩应力与文献对比；o 湿态压缩恢复；p FTIR谱；q 干态压缩应力-应变曲线；r 干态压缩模量；s 湿态循环压缩测试。

图3. a 生物质气凝胶的太阳光吸收谱；b 不同配比蒸发器在1个太阳光下的表面温度；c CA37-CB光热转换稳定性；d 不同光强下表面温度；e 光热转换机制；f CA37与CA37-CB的红外热图；g 不同CMCS/SA配比蒸发器的质量损失；h 1个太阳光下蒸发速率与效率；i、j 不同光强下质量损失与蒸发速率；k 气凝胶网络中的水状态；l 水的Raman谱与拟合峰；m DSC曲线及蒸发焓；n 等效蒸发焓比较。

IV 单一Donnan效应的耐盐能力与局限

图4a、b分别给出不同NaCl浓度下的质量损失和蒸发速率；CA37-CB-F在0、3.5、5、10、15和20 wt% NaCl中的速率分别为2.87、2.88、2.86、2.79、2.73和2.66 kg m⁻² h⁻¹。图4c显示其在10 wt% NaCl中连续8 h保持约2.79 kg m⁻² h⁻¹；图4d表明在20 wt% NaCl中前4 h约为2.68 kg m⁻² h⁻¹，但6 h后快速下降，8 h几乎失效。图4e的染料输运实验显示水在6 s内到达上表面；图4f中表面1 g NaCl在30 min内完全回溶，证明其快速供水和盐回流能力。

图4g记录10 wt% NaCl连续蒸发前后的宏观、微观和红外图像，8 h后表面仍湿润且无明显盐层；图4h显示20 wt% NaCl中8 h后表面温度升至约60 °C，气凝胶干燥并被大量盐晶覆盖。图4i阐明Donnan排盐机制：CMCS/SA网络的固定负电荷排斥Cl⁻并调控Na⁺分布，使中等盐度下界面盐浓度低于饱和点；但在20 wt%超高盐度下电荷作用受到屏蔽，单一Donnan效应不足以持续阻止盐积累。

图4. a、b CA37-CB在不同浓度模拟海水中的质量损失与蒸发速率；c CA37-CB-F在10 wt% NaCl中连续8 h的蒸发速率；d 在20 wt% NaCl中连续8 h的蒸发速率；e 吸水能力；f 表面盐晶溶解；g 10 wt%及h 20 wt% NaCl连续蒸发前后的宏观、微观和红外热图；i 基于Donnan效应的CA37-CB-F耐盐机制。

V Donnan排斥与水膜效应的双效协同

图5a展示两种运行方式：模式I(CA37-CB-F)通过亲水泡沫供水，表面水量较少、蒸发速率较高；模式II(CA37-CB-SF)使气凝胶直接漂浮于水面，形成流动水膜。图5b显示SF模式中的水膜形成过程，其供水速率和质量传输速率分别达到F模式的201%和244%。图5c表明双效CA37-CB-SF在20 wt% NaCl中连续24 h保持约2.53 kg m⁻² h⁻¹且无衰减；图5d的宏观、微观和红外图像显示24 h后表面仍保持约38 °C和湿润无盐状态。

图5e的模拟结果显示，单效F模式表面稳态盐浓度超过26 wt%并发生析盐，而双效SF模式因水膜稀释和Donnan排斥仅约22 wt%。图5f比较F模式在不同盐度下与已报道体系的速率，显示其快速产水优势。图5g直接比较两种模式：F模式前3 h更快，但8 h后降至0.89 kg m⁻² h⁻¹；SF模式长期保持稳定。图5h显示CA37-CB-SF在20 wt% NaCl中的速率与24 h稳定性具有竞争力。图5i进一步给出7 d循环测试：每天光照10 h、黑暗14 h，光照期和暗期速率分别约2.5和0.5 kg m⁻² h⁻¹，日均产水量32.63 kg m⁻²。

图5. a 仿鱼鳃气凝胶的两种太阳能蒸发模式；b CA37-CB-SF的水膜形成；c 双效CA37-CB-SF在20 wt% NaCl中24 h稳定蒸发；d 24 h过程的宏观、微观和红外图像；e 单效F模式与双效SF模式的盐分布模拟；f F模式在不同盐度下与文献体系的速率比较；g 两种模式在20 wt% NaCl中的速率与长期稳定性；h SF模式与文献体系的综合比较；i SF模式在20 wt% NaCl中的7 d连续循环测试。

VI 双效耐盐机制

图6a说明水膜效应如何辅助Donnan效应：太阳加热下持续更新的水膜引发界面流动，连续补水并稀释局部离子，同时带走初生盐晶、避免盐壳形成；水合状态还能保持带电官能团活性，并通过界面对流移走阳离子，从而维持固定负电荷的排斥能力。图6b说明Donnan效应对水膜效应的反向增强：固定负电荷排斥阴离子，使界面盐度低于体相盐度，抑制盐成核，并使溶质Marangoni流方向与热Marangoni流一致，强化水膜对流和界面更新。两种效应由此形成正反馈：Donnan效应创造有利离子梯度，水膜持续稀释离子并维持界面水合，最终实现超高盐度下的动态排盐和长期稳定蒸发。

图6. CA37-CB-SF蒸发器基于双效协同的耐盐机制。a 水膜效应辅助Donnan效应实现耐盐；b Donnan效应增强水膜效应实现耐盐。

VII 生态安全净水与户外应用

图7a显示CA37-CB-F处理日本秋田由利本庄天然海水时，连续8 h保持2.85 kg m⁻² h⁻¹。图7b表明蒸馏水中Na⁺、K⁺、Mg²⁺和Ca²⁺均远低于WHO饮用水限值；图7c显示总盐度降低约3个数量级。图7d的NIH 3T3细胞活力为88%，高于常用70%安全阈值；图7g的活/死荧光图以绿色活细胞为主，证明良好生物安全性。图7e显示亚甲基蓝、甲基橙和罗丹明B溶液经处理后吸光度接近零；图7f显示pH 1和pH 14废水经蒸发后均接近中性。

图7h为信州大学校园从日出到日落的户外装置照片。图7i记录天然海水户外蒸发：8:00时仅0.45个太阳光，随光强升高，正午速率达到2.16 kg m⁻² h⁻¹；尽管最大光强仅0.76个太阳光，系统仍保持稳定产水。图7j展示热电环境感知概念，在阴天、晴天、局部多云、雨天及再次晴天条件下输出电压呈阶梯式变化，表明蒸发器未来可与自供能天气监测结合，实现更智能的户外运行。

图7. a CA37-CB在真实海水中的稳定蒸发；b、c 光热蒸发前后主要金属离子浓度和海水盐度变化；d NIH 3T3细胞活力及g 活/死荧光图；e 有机染料去除；f 酸性和碱性废水净化；h 信州大学校园户外蒸发装置；i 天然海水户外蒸发性能；j 仿鱼鳃热电感知用于环境天气变化监测的概念拓展。

VIII 总结

受鱼鳃协同排盐机制启发，本工作通过MISC策略开发了CMCS/SA全生物质气凝胶蒸发器。带负电的界面层与亲水聚合物链协同作用，在太阳加热下触发Donnan排斥和水膜驱动的Marangoni流，由此建立稳定、高效的双效排盐机制。研究进一步揭示，单独的Donnan排斥或水膜效应均不足以在极端盐度下维持有效排盐与稳定蒸发，二者的协同耦合才是实现长期高效耐盐的关键。

得益于这一协同机制，蒸发器在1个太阳光下实现2.88 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，并可在20 wt%盐水中运行24 h而无盐沉积，表现出优异耐盐性和长期稳定性。刚性CMCS与柔性SA形成的互穿网络提供了良好力学性能，并确保材料在复杂环境中的结构稳定。该蒸发器完全由生物质材料制备，可实现规模化、绿色和可生物降解生产。总体而言，本工作成功将仿鱼鳃双效机制用于太阳能蒸发，为极端盐度下可持续淡水生产和水处理开辟了新范式。