水凝膠因其優異的親水性、可設計性和生物相容性，在生物醫學、環境工程及能源存儲領域應用廣泛。然而，其功能發揮關鍵取決于物質傳輸效率。傳統水凝膠多呈現閉孔結構，僅依賴緩慢的滲透擴散傳輸物質，難以滿足藥物控釋、太陽能蒸汽發電（SSG）等場景對快速流體傳輸的需求。現有造孔策略（如模板法、凍融法）受限于模板尺寸效應和冰晶隨機性，存在工藝復雜、可控性差、難以規模化等問題。近年來，相分離法雖簡化了孔結構構建，但依賴特定溶劑組合，仍缺乏普適性和環保性。

華中科技大學張連斌教授和中山大學王鵬教授合作提出一種鹽離子誘導相分離新策略，成功制備出具有可調互連孔結構的聚兩性離子水凝膠。該技術利用鹽離子（如SO?2?）調控聚磺基甜菜堿甲基丙烯酸酯（PSBMA）鏈的水合與聚集行為，通過一步光聚合實現從閉孔到開孔結構的精確調控。優化后的水凝膠在太陽能蒸汽發電中表現出卓越性能：蒸發速率達1.950 kg m?2 h?1，太陽能-蒸汽轉化效率達96.8%（3.5 wt.%鹽水，1.0 kW m?2輻照），并在高鹽鹵水（10 wt.% NaCl）中穩定運行超12小時，無鹽積累或脫水現象。相關論文以“Polyzwitterionic Hydrogels with Tunable Interconnected Pore Structures Enabled by Ion-Induced Phase Separation”為題，發表在Advanced Functional Materials。

圖1揭示了孔結構形成機制：鹽離子濃度直接影響聚合過程中PSBMA鏈的構象。低離子強度下，水合作用使鏈伸展形成均質閉孔網絡（依賴滲透壓傳輸）；高SO?2?濃度引發鏈脫水塌縮，相分離形成聚合物富集區與貧集區，界面張力驅動互連開孔生成（依賴毛細作用快速輸水）。這種開孔結構為SSG蒸發器提供了持續穩定的供水路徑。

圖 1. PSBMA 水凝膠制備及孔結構形成示意圖。a) 鹽離子濃度在光聚合過程中影響 PSBMA 鏈構象，導致形成不同的孔結構。b) 閉孔結構中由滲透壓主導的緩慢水傳輸與開孔結構中由毛細作用主導的快速水傳輸。虛線箭頭顯示水傳輸路徑。c) 具有開孔結構的相分離 PSBMA 水凝膠在 SSG（太陽能蒸汽發電）過程中的供水情況。

圖2通過離子特異性實驗證實：單價離子（Na?、K?）或Cl?/Br?即使濃度達2.00 mol L?1仍保持水凝膠透明（無相分離）；而0.50 mol L?1 SO?2?已引發局部模糊，1.00 mol L?1時完全渾濁，表明SO?2?/CO?2?通過競爭性結合水分子削弱聚合物水合，觸發鏈塌縮與相分離。

圖 2. 在鹽溶液中制備 PSBMA。a) 在不同種類和濃度的鹽溶液中聚合得到的 PSBMA 水凝膠照片。b) 根據離子種類，聚合后聚合物鏈狀態的示意圖。

圖3溶脹行為進一步驗證離子效應：NaCl溶液激活PSBMA抗聚電解質效應，溶脹比從純水中15 g g?1升至15.5 g g?1（2.00 mol L?1 NaCl）；相反，Na?SO?導致脫水收縮（溶脹比降至0.9 g g?1）。拉曼光譜顯示：NaCl增強3051/3239 cm?1（自由水）和3633 cm?1（弱氫鍵水）信號，而Na?SO?抑制水合作用。掃描電鏡（SEM）揭示NaCl溶脹后孔徑超10 μm，Na?SO?則致密化。

圖 3. 鹽溶液中水與聚合物鏈之間的相互作用。a) 在純水中制備的 PSBMA 水凝膠及其在水中、NaCl 和 Na?SO? 溶液中達到溶脹平衡狀態的照片。b) 相應的溶脹比比較圖和 c) SEM 圖像。d) PSBMA 水凝膠在不同條件下的拉曼光譜：d1) 干燥狀態及在純水中溶脹平衡狀態，d2) 在 NaCl 溶液中，d3) 在 Na?SO? 溶液中。e) 聚合物鏈之間相互作用（黑色短劃線：靜電吸引；白色短劃線：靜電排斥）以及 PSBMA 鏈在不同鹽溶液中伸展或塌陷行為的示意圖。

圖4系統探索Na?SO?與SBMA濃度協同作用：固定SBMA濃度（1.00 mol L?1）時，隨Na?SO?濃度增加，SEM顯示孔結構連通性提升，1.31 mol L?1時形成理想互連開孔。相圖明確三大區域：閉孔（i）、互連開孔（ii）及雙相分層（iii）。過量Na?SO?（>2.12 mol L?1）引發水兩相分離（ATPS），導致孔結構消失。

圖 4. Na?SO? 濃度對 PSBMA 結構的影響。a) SBMA 濃度為 1.00 mol L?1 時，在 Na?SO? 溶液中聚合得到的 PSBMA 水凝膠的 SEM 圖像。b) 不同 SBMA 和 Na?SO? 濃度下制備的 PSBMA 水凝膠微觀結構示意圖。(i) 閉孔及過渡結構；(ii) 互連開孔結構；(iii) 雙層結構。c) SO?2? 在聚合過程中通過與水分子競爭性結合誘導 PSBMA 鏈塌陷的示意圖，導致 PSBMA 水凝膠發生相分離并形成不同的孔結構特征。最后一列中的 ATPS（水兩相系統）示意圖顯示了頂部相和底部相中組分的差異。

圖5展示開孔水凝膠的快速溶脹性能：在3.5 wt.% NaCl溶液中，S?.??-?.??水凝膠10分鐘內達溶脹平衡，溶脹比顯著高于高聚合物含量樣品（S?.??-?.??）。SEM證實低聚合物含量樣本（S?.??-?.??）具豐富互連孔，提供更大儲水空間與更低彈性自由能，利于高效輸水。

圖 5. 具有互連孔結構的 PSBMA 水凝膠的溶脹性能。S?.??-?.??、S?.??-?.??、S?.??-?.?? 和 S?.??-?.?? 水凝膠在 a) 純水、b) 3.5 wt.% 和 c) 10.0 wt.% NaCl 溶液中隨時間（20 分鐘）變化的溶脹比。d) 相應平衡溶脹比的比較圖。e) PSBMA 水凝膠在 3.5 wt.% NaCl 溶液中達到溶脹平衡后的 SEM 圖像。f) 低聚合物含量和 g) 高聚合物含量的 PSBMA 水凝膠溶脹行為示意圖。

圖6構建PSBMA-聚吡咯（PPy）光熱蒸發器：開孔結構支撐PPy顆粒負載，太陽能吸收率達92.5%。在1.0 kW m?2輻照下，3.5 wt.%鹽水中蒸發速率達1.950 kg m?2 h?1（S?.??-?.??-PPy）。毛細實驗證實其輸水高度（12.9 cm）接近直接接觸對照組（14.2 cm），驗證開孔結構通過低曲折度路徑加速流體輸送。

圖 6. PSBMA-PPy 水凝膠蒸發器的光熱性能和 SSG 性能。a) PSBMA-PPy 水凝膠制備示意圖。b) PSBMA-PPy 水凝膠在純水和 3.5 wt.% NaCl 溶液中溶脹后的照片。c) PSBMA-PPy 水凝膠頂部和底部區域的 SEM 圖像。d, f) 冷凍干燥的 PSBMA-PPy 水凝膠在 1.0 kW m?2 太陽輻照下表面溫度隨時間的變化，以及 e, g) 對應輻照時間 0、300 和 600 秒時的熱成像圖。h) SSG 實驗裝置示意圖、太陽輻照下 PSBMA-PPy 水凝膠蒸發器的溫度分布以及 SSG 過程中水凝膠內的水傳輸。i) 基于 PSBMA-PPy 水凝膠蒸發器的蒸發系統在 1.0 kW m?2 太陽輻照下，于純水和 NaCl 溶液中的蒸發速率比較圖。

圖7實地測試中，直徑9.6 cm的蒸發器在10小時自然光下產出55.1 g淡水（日均7.62 kg m?2），淡化后金屬離子濃度符合WHO飲用水標準。規模化制備的23 cm直徑蒸發器及對比分析凸顯該方法在簡易性、環保性與可擴展性上的優勢，顯著優于冷凍、模板等傳統工藝。

圖 7. 用于海水淡化的戶外 SSG 性能。a) 基于海綿狀 PSBMA-PPy 水凝膠蒸發器的自制 SSG 系統照片和 b) 示意圖。c) 從 7:30 到 17:30 每小時記錄的太陽輻照強度、環境溫度和淡水質量。d) 天然海水和所收集水中四種主要金屬離子（Na?, K?, Ca2?, Mg2?）的濃度。e) 直徑約 23 cm 的 PSBMA-PPy 水凝膠蒸發器照片。f) 離子誘導相分離方法與凍融法（包括定向冷凍）、模板法（固體和氣體模板）以及溶劑交換法的比較。

應用前景

該研究開發的離子誘導相分離技術，為水凝膠孔結構工程提供了環保、可規模化的解決方案。通過精確調控SO?2?濃度，一步實現從閉孔到互連開孔結構的轉變，解決了高鹽環境下物質傳輸效率與穩定性的關鍵難題。未來，此類定制化孔結構水凝膠有望在海水淡化、廢水處理、能源轉換及生物醫學領域發揮變革性作用，為應對全球水資源與能源挑戰提供新路徑。

來源：高分子科學前沿

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