《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Mushroom-like Double-layer Aerogel with Expanded Evaporation Area in Limited Space Volume for Solar Interface Evaporation Applications
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摘要太阳能驱动的界面蒸发为缓解淡水短缺提供了一种有前景的解决方案。然而，受限的空间限制了光吸收和蒸发面积，从而制约了其在海水淡化中的运行性能。本研究开发了一种具有蘑菇状、伞形结构的双层气凝胶用于海水淡化。聚吡咯/聚多巴胺复合光热吸收层凭借其纹理化表面有效增强了光吸收，而细菌纤
摘要
太阳能驱动的界面蒸发为缓解淡水短缺提供了一种有前景的解决方案。然而，受限的空间限制了光吸收和蒸发面积，从而制约了其在海水淡化中的运行性能。本研究开发了一种具有蘑菇状、伞形结构的双层气凝胶用于海水淡化。聚吡咯/聚多巴胺复合光热吸收层凭借其纹理化表面有效增强了光吸收，而细菌纤维素/丙烯酰胺水凝胶制水传输层通过毛细作用提供持续的水源输送。实验结果表明，该气凝胶实现了1.30?kg·m-2·h-1的蒸发速率和80.3%的太阳能-热能转换效率。此外，在35个连续测试周期中，蒸发效率保持一致。该气凝胶在太阳能驱动的界面蒸发海水淡化应用中展现出强大的应用潜力。
引言
水资源对社会发展和人类生存至关重要。然而，水资源在全球的分布极不均衡，导致可用淡水资源有限。淡水仅占全球水资源总量的3%，其中超过68%被冻结在冰盖和冰川中，难以利用。因此，可供饮用、农业和工业使用的淡水不足全球水资源总量的0.3% [1], [2]。气候变化、污染、人口增长以及水资源管理不善加剧了淡水短缺 [3]，使高效和可持续的淡水获取成为全球当务之急。
传统的海水淡化技术包括反渗透（RO）[4]、多级闪蒸（MSF）[5]、多效蒸馏（MED）[6]和机械蒸汽压缩（MVC）[7]。这些方法通常伴随着高能耗、设备复杂和成本高昂等问题。在绿色发展的背景下，太阳能驱动的界面蒸发海水淡化（SDIED）因其高效的蒸发效率和出色的可持续性而成为研究热点 [8], [9], [10]。
为了提高蒸发速率和能源效率，现有的大多数研究集中于太阳能吸收 [11]、光热转换 [12]、水传输 [13]和水激活 [14]。然而，这些努力大多局限于材料性质本身，忽视了蒸发器结构对性能的影响 [15], [16], [17], [18]。近期的研究表明，通过调控材料的微观结构、宏观结构、分层结构和表面结构可以有效提升蒸发率和能源效率。其中，孔隙结构和光热材料的形态是关键的微观结构因素，它们影响水的传输、热量局部化和光吸收 [19], [20], [21]。
传统的二维平面蒸发器（如光热薄膜或平面表面）由于光吸收面积和水蒸发面积被限制在同一投影平面上，导致蒸发速率的提升有限 [22], [23]。在投影面积固定的条件下，提升性能的关键在于提高空间体积的利用率和增加有效吸收面积。虽然微观调控可以在一定程度上缓解这一局限，但仍有必要对微观调控与三维宏观结构之间的协同设计进行全面研究。现有的圆柱形或立方体构型常常面临在受限空间内平衡光吸收与水蒸气扩散的挑战。为解决这一问题，研究人员从自然植物结构中获取灵感，开发出创新的三维蒸发器设计 [24], [25], [26]，以促进光热转换与水传输的协同优化。
生物质材料具有天然的结构，但在多尺度控制方面存在挑战。相比之下，凝胶材料兼具亲水性和结构可调性。因此，它们常被用作构建仿生蒸发器的基底材料，从而解决基于天然植物的界面蒸发器设计中固有的结构局限性 [27], [28], [29]。
受自然蘑菇的启发，本研究开发了一种蘑菇状双层气凝胶（DLMA），其外层为中空光热层，内层为超亲水水传输层。外层以细菌纤维素（BC）和丙烯酰胺（AM）为基质，聚吡咯（PPy）和聚多巴胺（PDA）作为光热剂，同时引入醋酸钠和光引发剂2,2-二乙氧基苯甲酮（DEAP）。通过紫外光引发聚合形成双网络中空结构，其伞形构型增强了受限空间内的光吸收和水蒸气逃逸效率。PPy和PDA的协同效应促进了有效的光吸收和热量转换，而纹理化外表面改善了光捕获能力。内层以BC为亲水基质，经戊二醛交联和冻干处理，形成具有优异亲水性和大孔隙的亲水气凝胶，促进水分高效传输至光热表面。双层气凝胶的整合增加了单位面积内的蒸发表面积，提高了蒸发速率，并通过分离光吸收区和水传输区减少了热量散失。
章节摘要
材料
吡咯（Py，AR级，98%）、戊二醛（GA）均购自麦克林试剂公司。丙烯酰胺（AM，AR级，99%）、DEAP、盐酸多巴胺（DA）均购自上海阿拉丁生化科技有限公司。无水醋酸钠购自天津市盛奥化学试剂公司。N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBAA，AR级，99%）购自天津富辰化学试剂厂。细菌纤维素（BC）购自桂林奇宏科技有限公司，
吸光层中空结构的形成机制
为了构建具有双层结构的蒸发器，我们首先在中空层的光热层中形成中空结构。然后用传输层材料填充该中空结构，并以光热层为模板构建亲水层。通过这种方式获得了双层水凝胶。
我们的实验证明，无水醋酸钠和PPy/PDA的添加会影响中空结构的形成。表S1列出了四种组合方式
结论
综上所述，受蘑菇形态启发，成功制备了用于太阳能驱动界面海水淡化的双层气凝胶（DLMA）。PPy/PDA光热组分增加了吸光层的表面粗糙度，提高了其光吸收能力。多孔水传输层实现了快速补水并持续供水，而光引发聚合确保了牢固的界面粘结和优异的结构稳定性。三维蘑菇状结构
CRediT 作者贡献声明
吴建平：指导、调查研究。刘智勇：可视化、调查研究。王瑶瑶：验证、调查研究。杨胜超：验证、调查研究。李伟：验证、调查研究。孟桂花：撰写——审阅与编辑、指导、项目管理。姬坤宇：撰写——审阅与编辑、撰写——原稿、可视化、验证、软件、方法论、调查研究、形式分析、数据管理、概念化。严家宇：指导、调查研究。
利益冲突声明
我们声明，我们没有与其他人或其他组织的财务和个人关系，这些关系不会不当地影响我们的工作，也没有任何性质或种类的产品、服务和/或公司的专业或其他个人利益，这些利益可能被解释为影响题为"蘑菇状双层气凝胶：在有限空间体积内扩展蒸发面积用于太阳能界面蒸发"的稿件中所呈现的立场或对该稿件的评审。
致谢
本研究感谢新疆科技计划项目（2025BC008）、新疆引导科技计划项目（2023ZD081）、石河子市重点实验室项目（2023PT01）和新疆工程学院博士研究启动基金项目（2025XGYBQJ17）的支持。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
姬坤宇|李伟|王瑶瑶|杨胜超|吴建平|刘智勇|严家宇|孟桂花
