山东大学张清哲研究员AFM：离子调节等离子体气凝胶，实现高效抗盐蒸发，刷新海水淡化性能纪录！

全球超过70%地表被海水覆盖，但可用淡水资源日益紧缺。传统海水淡化技术（如热蒸馏、电渗析）依赖化石能源，存在高能耗和环境污染问题。近年来，界面太阳能蒸发（ISE）技术因直接利用太阳能生产淡水被视为可持续解决方案。然而，其实际应用仍受限于三大瓶颈：界面盐结晶堵塞蒸发通道、水分子活化效率低，以及在高盐或污染环境中的运行不稳定性。尤其在高盐条件下，盐积累会严重阻碍光吸收和水蒸气释放，导致蒸发效率骤降。

山东大学张清哲研究员团队首次将低成本氮化钛（TiN）等离子体材料与聚酰亚胺气凝胶（PIA）结合，开发出具有离子调控功能的气凝胶蒸发器（TiN/PIA）。该材料通过霍夫迈斯特效应激活水分子，在7%盐水中实现4.22 kg·m⁻²·h⁻¹的创纪录蒸发速率（超越纯水性能），并于25%高盐环境下稳定维持2.96 kg·m⁻²·h⁻¹。户外试验证实其可连续8天处理真实海水与工业废水，无盐结晶堵塞。相关论文以“Ion-Regulated Water Activation in Plasmonic Aerogels for Highly Efficient and Salt-Resistive Solar Desalination”为题，发表在Advanced Functional Materials 上。

TiN/PIA气凝胶的制备与结构特性

研究团队采用二甲基亚砜（DMSO）辅助单向冷冻铸造技术，成功避免传统气凝胶40%的体积收缩问题。TiN纳米颗粒被限制在PIA的径向层状孔壁中（图1d-f），形成分级孔隙结构：大孔增强光散射与水传输，介孔扩大气液界面促进蒸汽扩散。X射线衍射（XRD）证实TiN与聚酰亚胺的复合结构（图1c），接触角测试显示超亲水性（图1g）。材料密度仅33.6 mg·cm⁻³（图1h），可大规模制备直径20厘米的盘状蒸发器（图1i），力学分析揭示TiN与聚酰亚胺链的强偶极相互作用提升机械稳定性（图1j）。

图1 TiN/PIA的制备与表征。 a) DMSO辅助单向冷冻制备流程示意图；b) ODA与ODPA化学反应示意；c) TiN、PIA及0.4-TiN/PIA的XRD图谱；d-f) 0.4-TiN/PIA的SEM图像（表面、截面、TiN分布）；g) 亲水性接触角测试；h) 超轻气凝胶立于蒲公英上（标尺1 cm）；i) 放大制备的PIA与TiN/PIA气凝胶盘（直径≈20 cm）；j) PIA与0.4-TiN/PIA的储能模量（G'）与损耗模量（G''）。

光热转化与热能局域化

TiN的局域表面等离子体共振（LSPR）效应使TiN/PIA光吸收率达94.8%（图2a），为纯PIA的3.7倍。有限元仿真显示，TiN纳米颗粒周围电场强度提升2.5倍（图2b-I），表面温度40秒内从24.6℃升至70.4℃（图2c-e）。COMSOL模拟证实热能高度局域化于蒸发界面（图2f），有效减少热损失，太阳能-蒸汽转换效率达94.5%。

图2 TiN/PIA的光吸收、等离子体加热与热局域化。 a) PIA与TiN/PIA的光吸收谱（左轴）及AM 1.5太阳辐射谱（右轴）；b) TiN纳米颗粒在1-sun光照下的电场分布（I）和表面温度分布（II）；c) PIA与0.4-TiN/PIA在空气/水中随时间升温曲线；d-e) 空气/水中红外热成像图；f) COMSOL模拟水中表面温度分布。

盐水蒸发性能与离子活化机制

优化后的0.4-TiN/PIA在7%盐水中蒸发速率达4.22 kg·m⁻²·h⁻¹（图3c），较纯水提升42%。分子动力学模拟与实验揭示核心机制：Cl⁻离子通过霍夫迈斯特效应破坏水分子氢键网络，形成易蒸发的"中间水"（IW）。拉曼光谱（图3g）和差示扫描量热（DSC）（图3h）显示，盐浓度增加使IW/自由水（FW）比值升高，蒸发焓从纯水的2.43 kJ·g⁻¹降至0.90 kJ·g⁻¹（图3d）。阴离子作用强度顺序为ClO₄⁻ > Cl⁻ > SO₄²⁻（图3l），印证阴离子主导水活化过程。

图3 TiN/PIA的水传输调控、蒸发性能及离子活化行为。 a) 水传输速率与TiN含量关系；b) 不同盐浓度下的质量变化；c) 蒸发速率（左轴）与效率（右轴）；d) 盐水中蒸发增强机理；e) 与文献蒸发器性能对比；f) 水分子在PIA中的三种状态；g) 拉曼光谱拟合曲线；h) DSC吸热峰拟合；i) IW/FW比值；j) 溶胀前后XRD图谱；k) ATR-FTIR光谱；l) 不同离子的蒸发速率对比。

分子层面的霍夫迈斯特效应

径向分布函数（RDF）分析表明，Cl⁻在2.3 Å处与PIA的氮原子形成配位键（图4a,c），穿透聚合物链层隙（图4f），削弱链间π-π堆叠，使PIA结构更松散（图4e）。氢键统计显示，NaCl溶液使水分子间氢键数量从18365（纯水）降至16180（图4h），证实离子对水分子网络的重构作用。

图4 PIA中霍夫迈斯特效应的分子机制。 a) 径向分布函数g(r)；b) PI链最小/最大间距；c) NaCl与PIA配位数；d-e) 纯水/盐水中PI链结构示意；f) Cl⁻穿透聚合物链示意；g) 水分子状态模型；h) 氢键数量统计。

真实环境应用验证

户外装置（图5b-c）在黄海海水淡化中实现日均蒸发速率3.4 kg·m⁻²·h⁻¹（图5d-e），净化后离子浓度降低3–4个数量级（图5f），电阻值达2.63 MΩ（远超海水0.31 MΩ）。该材料成功处理砷污染地下水（319 μg·L⁻¹）和锑污染工业废水（14.8 mg·L⁻¹），净化水培育的小麦种子萌发率显著提升（图5h），大肠杆菌存活率提高13–221倍（图5i）。每平方米成本仅533元，比现有光热材料低25–32%。

图5 TiN/PIA蒸发器实际应用。 a) 自脱盐行为照片；b-c) 户外海水淡化装置照片与示意图；d) 蒸发速率与太阳辐射强度关系；e) 8天连续海水淡化性能；f) 海水净化前后主要离子浓度；g) 水体电阻对比；h) 小麦种子萌发实验；i) 大肠杆菌培养结果（上：未处理水样；下：净化水样）。

未来展望：清洁水资源的可持续方案

该研究不仅创下太阳能淡化性能新纪录，更开辟了"等离子体-霍夫迈斯特协同"调控水分子状态的新范式。TiN/PIA气凝胶的轻质柔性特性，使其适用于离网应急、船舶平台等场景。团队提出的离子介导水活化机制，为设计抗盐、低成本光热材料提供理论框架，推动太阳能淡化技术向实际应用迈出关键一步。

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