引言
淡水短缺是全球面临的最紧迫问题之一，严重威胁着经济发展、公共健康和生态系统稳定（W. Liu et al., 2025; Mekonnen和Hoekstra, 2016; Ercin和Hoekstra, 2014; X. Kuang et al., 2024）。界面太阳能蒸汽产生技术（ISSG）作为一种绿色创新的水处理技术应运而生，该技术可实现表面局部光热转换，显著降低整体热损失，并通过高效光热材料的协同组合（X. Min et al., 2021）、用于连续水分传输的多孔结构（X. Li et al., 2018）以及热绝缘（H. Ghasemi et al., 2014）的结合，理论上可实现接近100%的太阳能-蒸汽转换效率。近期，工程化的三维（3D）蒸发器构型集成了多种协同功能（X. Wang et al., 2017）。其中，最本质的几何优势在于相对于投影面积而言更大的蒸发面积（Z. Wang et al., 2017），而增强的热绝缘性能（Y. Liu et al., 2015）、环境热回收（X. Hu et al., 2017）以及优化的流体通道（Y. Yang et al., 2018）则是整体结构的协同效应。这些特征可使表观蒸发性能超越传统理论极限，实现表观效率达到甚至超过100%，同时保持有效的排盐能力（L. Zhu et al., 2018）。需要注意的是，超过100%的表观效率通常源于环境热收集与光热转换的结合，而非仅由光热转换单独实现。这些3D平台的结构多样性使其特别适合应对苛刻的水处理场景，涵盖高盐度脱盐、复杂污染物去除以及实现零液体排放（Q. Xiong et al., 2025; Y. Zhang et al., 2024）。
水凝胶因其三维亲水网络结构，能够实现快速水分传输（X. Zhou et al., 2019），是前景广阔的ISSG材料。重要的是，网络中的水与聚合物链相互作用形成"中间水"，这种状态具有氢键被破坏的特征，相较于本体水表现出更低的蒸发焓（X. Li et al., 2018）。中间水与分级水分传输路径（T. Gao et al., 2019）的结合，为高效蒸发提供了坚实的热力学基础。除了水态调控外，太阳能海水淡化还依赖于内部孔隙结构和表面形貌的协同设计。可控的内部孔隙可调节毛细管驱动的水分供应和热量局部化（H. Ren et al., 2017），而经工程化的表面形貌则可产生Marangoni效应，驱动对流流动，从而实现排盐和防止结晶。这两个尺度的协同工程化是优化蒸发效率和稳定性的关键。对于3D蒸发器构型而言，最本质的几何优势在于相对于投影面积而言更大的实际蒸发面积，这增强了单位地面面积的集光和蒸汽释放能力。然而，传统水凝胶蒸发器常面临实际挑战，包括孔隙结构可调性有限（J. Wang et al., 2017）、表面积不足（C. Chen et al., 2017）以及难以规模化制备（M. Wang et al., 2024）。此外，其高含水率还导致浮力差和漂浮不稳定，造成浸没并削弱热量局部化效果（K. Niewiadomski et al., 2024）。泡沫基水凝胶在材料层面上通过合成过程中创建可控的孔隙结构来克服这些局限，无需额外的结构或器件层面工程化。对此，近期研究日益关注泡沫基水凝胶，其将水凝胶相和泡沫相结合，实现可调的结构性能（L. Li et al., 2026; Y. Guo et al., 2022）。通过独立调控水凝胶网络和孔隙结构，这些系统实现了对水分传输、热管理和蒸发性能的精确控制，克服了传统整体式蒸发器的局限性（M. Zhu et al., 2018; Y. Kuang et al., 2019; S. Zhang et al., 2024）。
对于水凝胶泡沫，构建多孔结构对于抑制热对流和热传导损失以及实现稳定的自漂浮能力至关重要（Y. Kuang et al., 2019）。常见的造孔方法包括模板法、冷冻干燥（S. Zhang et al., 2024）和发泡法。发泡法因其简单性和可规模化而尤为吸引人。然而，传统的有机发泡剂如偶氮二甲酰胺需要较高的分解温度（>150 °C），这可能损坏热敏性生物聚合物并产生有毒副产物（C. Chen et al., 2019）。相比之下，碳酸氢铵（NH?HCO?）具有独特的优势，包括低分解温度（约60 °C）、环境友好的分解产物（NH?、CO?、H?O）以及无固体残留（Z. Liu et al., 2017; Q. Jiang et al., 2016）。该分解过程干净彻底，不会留下损害亲水性或生物相容性的杂质。尽管具有这些优势，将发泡与凝胶化结合以制备自漂浮水凝胶泡沫仍然具有挑战性。主要挑战在于同步气体生成与凝胶网络形成。凝胶化过快会限制气泡膨胀并降低孔隙率，而凝胶化过慢则会使气泡在结构稳定前合并或逸出（T. N. Tikhonova et al., 2021）。为实现这种同步，需要对泡沫相（包括气泡成核、生长和稳定）和凝胶相（涉及交联动力学）进行精确控制。这些因素共同决定了最终的孔隙结构和蒸发表面形貌。因此，调控泡沫相与凝胶相之间的相互作用对于管理水分补充、抑制热量散失和最大化蒸发输出至关重要（Z. Zhang et al., 2024）。
本研究开发了一种预混入和同步发泡-凝胶化策略，在超声辅助条件下使用NH?HCO?作为发泡剂制备自漂浮水凝胶泡沫（HF-SPMs）。（图1a）。海藻酸钠（SA）具有快速离子交联和富含羟基/羧基的特点，在动力学上与NH?HCO?分解（释放CO?和NH?）以及Ca2?介导的凝胶化相匹配，从而实现了对泡沫相（气泡生长和稳定）和凝胶相（网络形成和水合）的协同控制。由此产生的杂化孔隙结构和凸半球形表面形貌，优化了中间水状态并调节了局部热管理。由此产生的两级结构协同效应放大了热-浓度Marangoni效应，驱动对流离子回流，赋予了出色的耐盐性（图1b）。因此，优化后的HF-SPM4在单倍太阳光照射下实现了3.27 kg m?2 h?1的高蒸发速率，即使在25 wt% NaCl盐水中也能在12小时内保持超过3.0 kg m?2 h?1。本研究通过泡沫相和凝胶相的协同工程化，为高效太阳能水净化提供了一条可扩展、经济且环境友好的途径。
