超水合两性离子水凝胶定向水通道实现抗污太阳能海水淡化

《Nano-Micro Letters》：Superhydrated Zwitterionic Hydrogel with Dedicated Water Channels Enables Nonfouling Solar Desalination

本刊推荐：针对复杂海洋环境下太阳能界面蒸发（SID）长期运行易受盐结晶与微生物污损的难题，研究人员开发了一种基于三甲胺N-氧化物（PTMAO）的超水合两性离子水凝胶（PTAP）。该材料通过直接连接的N+与O?基团构建稳定水合层，在10 wt% NaCl溶液中实现2.35 kg·m?2·h?1的高蒸发速率并稳定运行100小时，同时抵抗蛋白质、细菌和藻类附着。该研究为恶劣海洋环境中的可持续淡水生产提供了新策略。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，太阳能界面蒸发（SID）技术因其利用可再生太阳能生产淡水的潜力而备受关注。然而，在真实的海洋环境中，蒸发器长期运行面临两大挑战：一是高盐度海水中盐分的持续结晶会堵塞水传输通道，降低蒸发效率；二是微生物（如蛋白质、细菌和藻类）在材料表面的附着和增殖会导致生物污损，加速材料老化。传统水凝胶蒸发器（HSEs）虽具备低成本、易加工等优点，但抗盐和抗污能力不足，难以满足复杂海洋环境的长期稳定运行需求。

两性离子聚合物因其电中性结构和优异的水合能力，被认为是解决生物污损问题的理想材料。然而，现有两性离子材料如聚磺酸甜菜碱（PSBMA）的电荷基团间距较大，水合层稳定性不足，在高盐环境中易被破坏。受海水鱼类体内三甲胺N-氧化物（TMAO）的抗盐机制启发，河北工业大学张盼盼团队设计了一种超水合两性离子水凝胶PTAP，通过分子结构创新实现了高效、持久的太阳能海水淡化。

研究团队通过氧化N,N-二甲基氨基丙基丙烯酰胺合成TMAO单体，再与丙烯酰胺（AAm）共聚形成PTMAO/PAAm双网络水凝胶，最后通过吡咯原位聚合引入聚吡咯（PPy）作为光热转换层。PTAP的力学性能通过PAAm网络增强，其均匀多孔结构利于水传输与光捕获。分子动力学模拟显示，PTMAO中直接连接的N⁺-O^?基团与水分子形成强氢键（结合能-54.89 kJ·mol^?1），构建了定向水通道，同时通过静电排斥阻隔盐离子渗透。

制备与表征

PTAP的化学结构通过核磁共振氢谱（¹H-NMR）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）验证。扫描电镜（SEM）显示其具有均一多孔结构，能量色散X射线光谱（EDS）证实碳、氮、氧元素均匀分布。力学测试表明，PTAP在海水中的压缩应力达88.8 kPa，显著优于未添加PAAm的对照组（10.1 kPa）。

太阳能驱动水蒸发性能

通过调节PTMAO含量优化水状态（结合水、中间水、自由水），PTAP2（PTMAO含量200 mg）表现出最高饱和水含量（15.0 g·g^?1）和中间水比例，蒸发焓降至1450 J·g^?1。在1 kW·m^?2光照下，其蒸发速率达2.28 kg·m^?2·h^?1，光热转换效率为91.8%。

抗盐机制与分子模拟

PTAP2在3.5 wt%、10 wt%和20 wt% NaCl溶液中均保持稳定蒸发（速率分别为2.30、2.35和2.01 kg·m^?2·h^?1），连续运行100小时无盐结晶。分子动力学模拟表明，PTAP2的水合氢键数量高于PSBMA对照组，且Na⁺、Cl^?跨膜能垒更高，而水分子逃逸能垒更低，从分子层面解释了其抗盐机制。

抗生物污损性能

PTAP2对牛血清蛋白（BSA）的吸附量仅0.61 mg·cm^?2，远低于普通水凝胶（1.81 mg·cm^?2）。与大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）共培养后，其表面几乎无细菌附着；对小球藻、硅藻和金藻的附着抑制率接近PTMAO纯材料。超水合壳层作为物理屏障有效阻隔了微生物粘附。

实际海水测试

基于PTAP2的多级太阳能蒸馏器在渤海海水实验中实现日产水量25.6 kg·m^?2，连续运行60天无盐结晶或微生物滋生，验证了其在真实海洋环境中的适用性。

该研究通过仿生设计将PTMAO的超水合特性与PAAm的力学增强、PPy的光热转化能力相结合，构建了兼具高效蒸发、抗盐和抗污功能的智能水凝胶。分子机制解析为两性离子材料在复杂环境中的应用提供了理论支撑，为开发下一代可持续海水淡化技术开辟了新路径。论文发表于《Nano-Micro Letters》，对海洋水资源开发与利用具有重要实践意义。