河北工大张盼盼/纪志永、清华大学曲良体等:超水合两性离子水凝胶助力高防污太阳能海水淡化

研究背景

全球水资源日益紧缺，制约可持续发展和人类福祉。太阳能驱动界面海水淡化(SID)利用丰富太阳能，为可持续淡水生产提供潜在途径。水凝胶基蒸发器(HSEs)因成本低、组装便捷、生物相容性好且可降低水蒸发焓，已广泛应用于 SID 系统。然而，海洋环境复杂，含无机盐及蛋白质、细菌、藻类等微生物，随着水持续蒸发，非挥发性盐和微生物易在孔道或光热界面累积，影响器件长期性能与稳定性。因此，开发在恶劣海洋环境下同时具备高蒸发效率与抗污染能力的 HSEs 至关重要。两性离子聚合物因含正负电荷且整体电中性，具有优异抗污染潜力。目前主要的两性离子 HSEs 如聚(磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯，PSBMA)和聚(PVBIPS)，通过抗高分子电解质效应增强水合能力，实现快速水吸收与耐盐性。但其正负电荷间距较长，导致表面水合不足，盐离子易破坏水合层，防污染性能有限。在复杂海洋环境中，其抗蛋白、抗菌和抗藻性能尚未系统研究。因此，构建超水合两性离子高分子网络以实现高效、耐久且抗污染的 SID，仍是亟需解决的科学与技术挑战。

Superhydrated Zwitterionic Hydrogel with Dedicated Water Channels Enables Nonfouling Solar Desalination

Panpan Zhang*, Hanxue Liang, Yawei Du, Haiyang Wang, Yaqi Tian, Jingtao Bi, Lei Wang, Zhiyuan Guo, Jing Wang, Zhi-Yong Ji*, Liangti Qu*

Nano-Micro Letters (2026)18: 87

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01937-4

本文亮点

1. 提出了一种具有特定水通道的超水合两性离子聚(三甲胺 N-氧化物，PTMAO)/聚丙烯酰胺/聚吡咯水凝胶(PTAP)，用于实现抗污染太阳能海水淡化。

2. PTMAO 中直接相连的 N⁺ 与 O⁻ 基团构建了稳定的水合层，在促进快速水传输的同时，有效抑制各种盐离子和微生物的黏附。

3. PTAP 在 10 wt% NaCl 溶液、1 kW m⁻²光照条件下实现了 2.35 kg m⁻² h⁻¹的高水蒸发速率，可稳定运行 100 h 无盐结晶积累，并对蛋白质、细菌和藻类等多种污染物表现出优异的抗黏附能力。

内容简介

受海鱼对复杂海洋环境的天然适应机制启发，河北工大张盼盼&纪志永、清华大学曲良体等人提出了一种具有专一水通道的超水合两性离子水凝胶PTAP，用于实现抗污染SID。PTMAO 分子中直接相连的正电荷 N⁺ 与负电荷 O⁻ 构成稳定的两性离子结构，其中 O⁻ 可与水分子形成强水合相互作用，促进水分子沿专一通道快速输运至光热界面，从而实现高效蒸发；同时，N⁺ 对盐离子产生显著排斥作用，有效保护超水合层结构，抑制盐侵蚀和污染物黏附，赋予材料优异的抗污染性能。通过引入PAAm和PPy网络，PTAP 在保持高水合特性的同时，显著提升了力学稳定性和光吸收能力，从而增强了器件的结构耐久性和太阳能利用效率。在 10 wt% NaCl 高盐溶液、1 kW m⁻²太阳光照射下，PTAP 实现了高达 2.35 kg m⁻² h⁻¹的水蒸发速率，并在连续运行 100 h内表面无明显盐结晶积累。此外，该水凝胶对蛋白质、细菌和藻类等多种污染物均表现出良好的抗黏附能力。分子动力学模拟从分子层面进一步验证了 PTAP 依托超水合结构实现抗污染的内在机理。该工作为构建高效、耐久且抗污染的太阳能界面蒸发器提供了新的设计思路，拓展了其在复杂海洋环境中可持续淡化及相关领域的应用前景。

图1. 受海鱼对海洋环境适应特性启发的两性离子 TMAO构建具有特性水通道的超水合 PTAP 用于高防污SID示意图。

图文导读

I 水凝胶制备与表征

本研究构建了一种具有超水合特性和光热功能的两性离子复合水凝胶(PTAP)，用于抗污染太阳能界面海水淡化。首先，通过氧化 N,N-二甲基氨丙基丙烯酰胺(DMAPA)合成 TMAO 单体，高转化率确保了目标产物成功生成，1H-NMR光谱验证了各质子特征峰，确认了单体结构。随后，TMAO 与丙烯酰胺(AAm)在交联剂 MBAA 和紫外光引发剂作用下聚合形成双网络 PTMAO/PAAm 水凝胶。进一步将透明水凝胶浸入吡咯溶液并通过 APS 原位聚合，引入聚吡咯(PPy)，得到具有光热功能的 PTAP。为克服纯 PTMAO 水凝胶因高含水量、聚合物链密度低及链间接触弱而导致的力学性能不足问题，引入 PAAm 可形成强链间交织结构，有效提升 PTAP 在盐水环境中的力学稳定性。PTAP 在大面积制备后仍可保持旋转、折叠和扭曲后的完整性，海水环境下压缩应力达 88.8 kPa，高于未引入 PAAm 的 PTMAO/PPy 水凝胶(10.1 kPa)。扫描电子显微镜(SEM)显示 PTAP 孔隙均匀，有利于光捕获和水传输；EDS 元素分析及映射证实 C、N、O 均匀分布。FTIR 与 XPS 测试显示 PTAP 成功引入了两性离子 TMAO，其中直接连接的 N⁺ 与 O⁻ 基团为水凝胶的高水合能力与抗污染性能提供了分子基础。

图2. 水凝胶的制备与表征。

II 太阳能驱动水蒸发性能

超亲水的两性离子 PTMAO 可与水分子形成强氢键作用，从而调控 PTAP 中的水状态，包括束缚水(BW)、中间水(IW)和自由水(FW)。密度泛函理论(DFT)计算显示，PTMAO-水的结合能(–54.89 kJ mol⁻¹)明显高于水-水(–26.11 kJ mol⁻¹)及 PAAm-水(–45.42 kJ mol⁻¹)相互作用，可通过调节 PTMAO 含量优化水状态，提高 IW 比例、降低蒸发能量并提升水蒸发速率。考虑到纯 PTMAO 水凝胶力学性能较差，PTMAO 含量需在保证机械强度与蒸发性能间取得平衡。研究制备了不同 PTMAO 含量的 PTAP(水凝胶比例分别为 100–400 mg PTMAO/560 mg AAm，对应 PTAP1–PTAP4)，发现适量 PTMAO 可增强压缩强度及饱和含水量，其中 PTAP2 饱和含水量最高达 15 g g⁻¹，IW/BW 比值最大，蒸发焓最低仅 1450 J g⁻¹。借助光热活性材料 PPy，PTAP 光吸收率超过 98%，在1 kW m⁻²光照下表面温度显著高于纯水。最终，PTAP2 实现了最高蒸发速率 2.28 kg m⁻² h⁻¹ 和 91.8% 能量利用效率，优于纯水及其他 PTAP 样品。

图3. 太阳能驱动水蒸发性能测试。

III 耐盐能力及其机制探索

为验证 PTAP2 的耐盐性能，其在不同盐浓度的溶液(3.5 wt%、10 wt%、20 wt%)中进行长期水蒸发测试。结果显示，在 1  kW m⁻² 光照下，PTAP2 的蒸发速率分别为 2.30、2.35 和 2.01 kg m⁻² h⁻¹，其中 10 wt% 盐溶液下达到最高值，显示离子屏蔽效应可松弛水凝胶网络、促进水分输运。即便在高盐浓度(20 wt%)连续运行 8 h，蒸发界面仍无明显盐结晶，蒸发速率保持稳定，远优于未引入 PTMAO 的水凝胶(PAP)。长达 100 h的连续测试进一步证实 PTAP2 在低盐和中盐环境下的优异长期稳定性，结构未发生膨胀、变形或塌陷，FTIR 光谱也表明化学结构保持稳定。分子动力学模拟显示，PTMAO 中直接相连的 N⁺ 与 O⁻ 形成的超水合壳通过氢键强烈吸附水分子，同时 N⁺ 排斥 Na⁺，有效阻止盐离子穿透，保障了水凝胶的非污染性能和长期稳定性。与常用两性离子聚合物 PSBMA 构建的对照样品相比，PTAP2 显示更强的水合能力和氢键数量，更高的跨膜能垒及更低的水蒸发能量，从而实现更高效的水蒸发和显著增强的耐盐性。

图4. 耐盐性能及机制探索。

IV 抗生物污染性能

在真实海水环境中，干扰物不仅包括各种盐离子，还存在蛋白质、细菌和藻类等多种微生物，它们在光热界面附着和繁殖会破坏材料结构，降低循环稳定性。PTAP2 除了优异的耐盐性能外，其非污染能力也经过系统评估，包括对蛋白质(BSA)、两种代表性细菌(大肠杆菌 E. coli 和金黄色葡萄球菌 S. aureus)及三种藻类(绿藻、硅藻和金藻)的抑制效果。在抗蛋白附着测试中，PTAP2 表面吸附的 BSA 仅为 0.61 mg cm⁻²，远 低于 PAP(1.81 mg cm⁻²)，显示两性离子 PTMAO 的整体电中性及强水合能力可形成致密超水合壳，有效阻隔蛋白附着。在抗菌测试中，PTAP2 共培养后 OD600 值接近空白对照，显示细菌附着显著减少；SEM 成像也验证了其表面几乎无菌附着。抗藻类实验同样显示，PTAP2 表面附着的绿藻、硅藻和金藻数量显著低于 PAP，接近 PTMAO 最小水平。

图5. 抗生物污染性能。

V 利用实际海水进行户外集水

凭借强大的水合能力，PTAP2 不仅实现高效水蒸发，还展现出卓越的耐盐和抗污染性能。研究团队将 PTAP2 应用于多级太阳能蒸馏器，并在实际渤海海水中进行了长期水收集实验。为提升水蒸气冷凝效率，透明玻璃罩和冷凝板表面经过超疏水处理，实现高效水汽凝结与液态水收集。户外测试中，系统记录了环境温度、日照强度、PTAP2 表面及各冷凝阶段温度变化及产水量。结果显示，该多级蒸馏器在自然条件下产水量高达 25.6 kg m⁻² day⁻¹，且连续 60 天运行后 PTAP2 表面未出现盐结晶或微生物生长，充分证明其在真实海水环境中的长期稳定性与可持续应用潜力。

图6. 室外集水性能。

V 总结

开发了一种具有特定水通道的超水合两性离子水凝胶 PTAP，可在恶劣海洋环境下实现高效、耐久且抗污染的太阳能界面海水淡化。得益于 PTMAO 的超水合能力，PTAP 展现出卓越的耐盐性能，并对蛋白质、细菌和藻类等多种污染物具有优异的抗附着能力。分子动力学模拟表明，其独特的超水合壳在分子水平上决定了非污染性能。本研究提出了一种仿生策略来设计超水合界面，为下一代水凝胶基蒸发器在实际海洋环境中的稳定、可持续淡化奠定了基础。展望未来，这一分子设计原则有望为更广泛的水净化及海洋应用提供启示。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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