类型a：原创性研究学术报告

作者及机构
本研究的通讯作者为Chang Lu（河南科技大学材料科学与工程学院）和Xinchang Pang（河南科技大学材料科学与工程学院），其他作者包括Jing Chen、Haorong Li、Baoshu Chen（西华大学材料科学与工程学院）、Xuena Li、Dahu Yao、Xiping Gao等。研究发表于*International Journal of Biological Macromolecules*，2025年5月24日在线发布，卷315，文章编号144501。

学术背景
本研究属于太阳能驱动水蒸发与电磁屏蔽（EMI shielding）交叉领域，聚焦于水凝胶（hydrogel）材料在海水淡化与电磁污染防护中的应用。传统水凝胶蒸发器因高含水量导致热损失严重，且水热平衡调控困难。此外，水凝胶的电磁屏蔽性能尚未充分开发。因此，本研究旨在通过构建曲折通道（tortuous channel）结构的碳纳米管（carbon nanotube, CNT）包裹聚丙烯酰胺（polyacrylamide, PAM）颗粒（CP）复合海藻酸钠（sodium alginate, SA）水凝胶（CPSA），实现高效太阳能蒸发与电磁屏蔽的双功能协同。

研究流程

1. 材料制备

   • CP颗粒合成：通过化学交联PAM水凝胶，干燥粉碎后筛分（120-140目），再通过超声吸附CNT包裹PAM颗粒，形成CP颗粒。
     
   • CPSA水凝胶构建：将CP颗粒与SA溶液混合，冷冻干燥后浸入Cu²⁺溶液交联，形成具有曲折孔道的CPSA水凝胶（如CPSA6表示CP与SA质量比6:1）。
     
   • 对照组设置：制备纯SA水凝胶作为对照。
     

2. 表征与性能测试

   • 形貌与结构：SEM观察孔道结构，XPS分析表面元素（如Cu²⁺交联位点），BET测试比表面积（CPSA6达376.3 m²/g）。
     
   • 光热性能：UV-Vis-NIR光谱显示CP颗粒光吸收率91.6%，CPSA6达90.2%；红外热成像显示CPSA6在1.0太阳辐照下表面温度稳定于46.2℃（SA为41.8℃）。
     
   • 蒸发焓（ΔH_ev）：DSC与TG测试表明，CPSA6的蒸发焓降至1424 J/g（纯水为2406 J/g），归因于CNT/PAM与水的弱氢键作用。
     
   • 蒸发实验：模拟海水（3.5 wt% NaCl）蒸发测试中，CPSA6蒸发速率达1.97 kg m⁻² h⁻¹（1.0太阳辐照），户外实验峰值达2.14 kg m⁻² h⁻¹（0.627太阳辐照）。
     
   • 电磁屏蔽性能：CPSA6（6 mm厚）在X波段（8.2-12.4 GHz）的EMI屏蔽效能（SE）达81.1 dB，主要依赖吸收损耗（SE_A占75.5 dB）。
     

3. 机理分析

   • 蒸发增强：曲折通道延长水传输路径，减少热对流损失；CNT提升光热转换效率，SA维持水供应平衡。
     
   • EMI屏蔽：CNT网络形成导电通路，Cu²⁺交联增强介电损耗，水分子极化进一步吸收电磁波。
     

主要结果
1. 光热蒸发性能
- CPSA6的蒸发速率（1.97 kg m⁻² h⁻¹）显著高于纯SA，且在高盐度（15 wt% NaCl）下稳定。
- 循环实验（20次）后性能无衰减，盐结晶可通过简单冲洗去除（恢复率93.4%）。
2. 多功能性验证
- 染料降解：CPSA6对亚甲基蓝（methylene blue, MB）的 photocatalytic降解率100%（300分钟光照）。
- EMI屏蔽：厚度增至9 mm时，SE达104.6 dB；干燥后仍保持52.8 dB，适合柔性电子应用。

结论与价值
1. 科学价值
- 提出“曲折通道”设计策略，首次实现水凝胶中水热平衡与电磁屏蔽的协同优化。
- 阐明CNT/PAM-SA界面的氢键调控机制，为低蒸发焓材料设计提供新思路。
2. 应用价值
- 可用于太阳能海水淡化、工业废水处理（如染料降解）及电子设备EMI防护。
- 材料制备工艺简单（冷冻干燥+离子交联），适合规模化生产。

研究亮点
1. 双功能创新：首次将太阳能蒸发与EMI屏蔽集成于单一水凝胶体系。
2. 结构设计：通过CP颗粒含量调控孔道曲折度，实现水传输与光热的动态平衡。
3. 性能突破：蒸发速率（1.97 kg m⁻² h⁻¹）与EMI SE（81.1 dB）均处于领域领先水平。

其他价值
- 研究得到国家自然科学基金（51973201等）及河南省自然科学基金支持，实验数据可通过通讯作者申请获取。
- 补充材料（Supplementary Data）包含盐沉积SEM图像、循环稳定性测试等，进一步验证材料可靠性。