淡水资源短缺的问题日益严重，太阳能界面蒸发策略展现出绿色可持续的优势。通过使用太阳能界面蒸发器，将光热转换的位置定位在蒸发界面处，大幅提高了太阳能蒸发效率。基于水凝胶的太阳能界面蒸发器中，调节水凝胶的孔隙结构制备多孔水凝胶并用太阳能界面蒸发器，是提升太阳能界面蒸发性能的有效策略。已提出的孔隙设计策略都存在制备工艺复杂、成本高、无法大规模制备等问题，难以投入应用。因此，易于制备的，低成本的，可规模化制备，具备良好生物相容性的多孔水凝胶的制备策略对于研究水凝胶在海水淡化中的实际应用具有重要意义。
Hofmeister效应是指不同盐离子从水溶液中析出聚合物的能力不同而产生的特异性效应。盐离子分为盐析盐离子（如 SO42-、CO32-和 Cit3-等）和盐溶盐离子（如 K+、Mg2+和 Ca2+等）。盐析盐离子会导致水分子不断从聚合物链之间排出，同时诱导羟基之间形成新的氢键，导致聚合物链聚集，进而降低聚合物的溶解度。相反，盐溶盐离子会直接与聚合物发生作用，在分子链之间增加电荷，从而提高聚合物的溶解度并促进其趋于分散。Hofmeister效应通常是通过浸泡法来调控水凝胶的机械性能和导电性能。然而，已报道的相关工作都是制备得到传统水凝胶，目前没有通过Hofmeister效应制备出具有大孔径的多孔海绵状水凝胶。
福州大学江献财副教授课题组基于Hofmeister效应开发出一种新颖的可自然成胶的多孔海绵状水凝胶的制备工艺，该制备过程极其简便，无需任何冷冻解冻或冷冻干燥等步骤，只需往一定配比的PVA/水/甘油/CaCl2复合溶液中加入Na3Cit溶液，然后将混合均匀的前体溶液在自然条件下静置10 h即可直接得到海绵状水凝胶（PGCNG）。相比于通过3D打印或静电纺丝制备多孔海绵状水凝胶的方法，该制备过程低碳环保高效，且易于大规模化制备。且该海绵状水凝胶具备均匀且高连通的优异孔隙结构（孔径主要集中在50 µm，孔隙率为61.3%）。PGCNG具备优异的传质性能，在负载石墨后应用于太阳能界面蒸发器，展现出出色的水传输性能，耐盐性能以及太阳能蒸发性能（在1 kW m-2的太阳辐照下，蒸发速率为3.5 kg m-2 h-1，蒸发效率为93%）。该研究以题为“Hofmeister Effect-assisted Facile Fabrication of Self-assembled Poly(vinyl alcohol)/graphite Composite Sponge-like Hydrogel for Solar Steam Generation”的论文发表在2024年的《Small》上。
图1. (a) PGNG水凝胶和PNCNG水凝胶的制备过程示意图以及制备过程中溶液的状态；(b) PVA分子链或纳米纤维的状态；(c) PGNG和PGCNG的吸水和输水状态机理图；(d) 完全干燥的PGCNG立于竹叶尖端；(e) 不同形状的PGCNG；(f)大尺寸的PGCNG。
图2 (a) 石墨、PGG、PGN、PGNG、PGCN 和 PGCNG 水凝胶的 ATR-FTIR 光谱；(b) PGCNG 的孔径分布；(c) PGNG 和 PGCNG 的扫描电子显微镜图像；(d) PGNG 和 PGCNG 中结合水、中间水和自由水的分布示意图，以及水凝胶的相对孔径和界面面积示意图。
图3 (a) PGNG 和 PGCNG 的失水过程质量保留率；(b) PGNG 和 PGCNG 的初始、完全干燥和完全溶胀照片；(c) PGNG 和 PGCNG 的饱和含水量；(d) PGNG 和 PGCNG 的半膨胀时间和水传输速率；(e) PGNG 和 PGCNG 的界面接触角；(f) 纵向水传输实验示意图；(g) 0、5、15、60 和 180 分钟的纵向水传输状态。
图4 (a) PGCN、PGNG和PGCNG的紫外-可见-近红外波段的光吸收率；(b) 纯水、PGCN、PGNG和PGCNG在1 kW m-2照射下表面的温度变化；(c) PGCNG在太阳光照射下的红外热像图；(d) 纯水、PGCN、PGNG和PGCNG在在1 kW m-2太阳光照射1 h后的质量变化和（e）蒸发速率；(f) PGCNG在不同浓度盐水中的溶胀率；(g) 在在1 kW m-2太阳光照射1 h，不同浓度盐水中PGCNG的质量变化和（h）蒸发速率；(i) 已报道的太阳能蒸发器蒸发速率对比。
图5 (a) PGCNG 蒸发器连续蒸发 10 h后每小时的蒸发速率以及第一小时和第十小时蒸发器的照片；(b) PGCNG 蒸发器 30 次循环蒸发过程中每小时的蒸发速率；(c) PGCNG 的 10 次循环压缩应力-应变曲线；(d) PGCNG 净化前后 MB 和 MO 溶液的紫外吸收光谱以及净化前后数码照片；(e) 户外海水淡化测试8:00 至 17:00 每小时的太阳辐照强度、环境温度和累计淡水收集记录； (f) 使用 PGCNG 进行海水淡化前后海水中四种主要离子的浓度。
该工作是该课题组近期基于Hofmeister效应实现PVA凝胶制备材料新途径和性能调控相关研究的最新进展之一。该课题组较早就提出通过浸泡法可实现PVA凝胶力学性能的大幅度提高，制备得到高强度PVA凝胶。通过Hofmeister效应可实现凝胶力学性能的大幅度提高（Materials letters, 2017, 194, 34-37；ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2021, 9, 29, 9833-9845）。通过Hofmeister效应，也可有效调控PVA分子链在溶液中的聚集状态，从而实现PVA凝胶成型方式的转变。通过在PVA溶液中引入盐析效应的无机盐，实现了室温下PVA溶液的溶胶-凝胶转变，得到了具有热塑性能的PVA导电凝胶（European Polymer Journal, 2018, 106, 206-213）。通过无机盐的Hofmeister效应，有效解决了PVA凝胶中的机械性能和导电性能trade-off的问题，制备得到了同时具有高强度和高电导率的双网络PVA/聚丙烯酰胺凝胶，并用于柔性传感器件的应用（Journal of Materials Chemistry A, 2020, 8, 6776-6784；Materials Horizons, 2020, 7, 2768-2769）。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202402151
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