本研究由太原理工大学材料科学与工程学院及山西浙大新材料与化工研究院的科研团队完成，通讯作者为Fengbo Zhu与Qiang Zheng。该研究以题为“Insight into the Charge-Ratio-Tuned Solar Vapor Generation of Polyion Complex Hydrogel/Coal Powder Composites”的原创研究论文形式，于2023年5月25日发表在期刊Polymers上。
该研究属于太阳能驱动水净化技术领域。清洁水资源短缺已成为全球面临的严峻问题，太阳能驱动的界面蒸发技术因具有广泛可用、可持续且环境友好等优点，被认为是一种有前景的解决方案。然而，传统太阳能蒸发器在自然太阳光照射下蒸发速率偏低，且光热材料制备成本高，限制了其实际应用。水凝胶材料因其高度可调的物理化学性质及与水分子的特殊相互作用，被认为可突破传统光热材料的蒸发速率上限。聚离子复合物（polyion complex，PIC）水凝胶在盐水中的蒸发性能具有独特优势，但如何利用低成本光热材料构建高效太阳能蒸发器，以及阐明水凝胶组成与水分子状态之间的关联，仍是有待解决的关键问题。为此，该研究以PIC为凝胶骨架、以低成本煤粉为光吸收剂，制备了水凝胶/煤粉复合材料（hydrogel/coal powder composite，HCC）基太阳能蒸发器，并系统研究了聚阴离子与聚阳离子的电荷比对太阳能蒸汽生成（solar vapor generation，SVG）性能的影响及其作用机制。
在研究流程方面，作者首先合成了聚阴离子聚对苯乙烯磺酸钠（PNASS）与聚阳离子聚甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵（PMPTC）。分别以对苯乙烯磺酸钠和甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵为单体，在紫外线照射下聚合8小时，经乙醇沉淀和真空干燥获得聚合物粉末。随后将煤颗粒经行星球磨机研磨5小时制得均匀煤粉，并将煤粉分别分散于PNASS和PMPTC溶液中，再将两种溶液混合，通过静电相互作用自组装形成HCC。通过控制聚阴离子与聚阳离子的摩尔浓度比分别为1:1、1.05:1、1.1:1、1.15:1和1.2:1，制备了不同电荷比的HCC样品，并标记为HCC-x。为评估不同电荷比HCC的结构与性能，作者采用扫描电子显微镜观察凝胶微观形貌，通过溶胀实验测定饱和含水量和水分传输速率，利用拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱分析水分子状态，并在1 kW m⁻²模拟太阳光下测试SVG性能。此外，在模拟海水、酸性和碱性溶液中评估了HCC的水净化能力。
研究结果显示，不同电荷比HCC均呈现多孔结构，但HCC-1.1的微孔最为突出，偏离该电荷比会因过量离子基团引起库仑排斥，导致孔隙率降低。饱和含水量在HCC-1.1处达到最小值4.42 g g⁻¹，而水分传输速率则在HCC-1.1处达到最大值0.64 g s⁻¹，表明电荷平衡点处凝胶具有最佳的水分传输能力，这与其最大的孔隙率一致。在纯水中的SVG性能测试表明，HCC-1、HCC-1.05、HCC-1.1、HCC-1.15和HCC-1.2的蒸发速率分别为2.97、3.02、3.12、2.99和2.88 kg m⁻² h⁻¹，远高于纯水的0.31 kg m⁻² h⁻¹，其中HCC-1.1的蒸发速率最高。进一步的水分状态分析表明，随着电荷比增加，中间水与自由水的比值先增大后减小，在HCC-1.1处达到最大值0.33，而纯水中该比值仅为0.22。红外光谱拟合结果显示，电荷平衡点处的弱氢键水与中氢键水比值也达到最大值0.42。与此一致，HCC-1.1的等效蒸发焓最低，为1031 J g⁻¹，低于其他电荷比样品和纯水。这些结果表明，电荷平衡点处HCC具有最高比例的中间水和活化水分子、最低的蒸发能垒以及最佳的水分传输能力，从而表现出最优的SVG性能。HCC-1.1的能量转换效率达到88.83%，且在连续10小时蒸发测试中蒸发速率稳定在3.1±0.1 kg m⁻² h⁻¹。在模拟海水（3.5 wt% NaCl溶液）中，HCC-1.1的蒸发速率进一步提升至3.22 kg m⁻² h⁻¹，且连续脱盐测试中未出现盐沉积。在0.5 mol L⁻¹盐酸和氢氧化钠溶液中，蒸发速率分别为2.98和2.85 kg m⁻² h⁻¹，收集的净化水pH值稳定在约7。
该研究的主要结论是：电荷比对HCC的微观结构和凝胶内水分子状态具有显著调控作用；在电荷平衡点制备的HCC拥有最突出的微孔结构和最快的水分传输能力，同时凝胶内水分子处于最活化状态，等效蒸发焓最低，从而实现了最高的蒸发速率和能量转换效率。该研究为低成本下一代太阳能蒸发器的设计提供了新思路，并拓宽了SVG在海水淡化和工业废水净化中的实际应用前景。
本研究的亮点包括：首次系统揭示了聚阴离子与聚阳离子电荷比对HCC基太阳能蒸发器SVG性能的影响规律；利用低成本煤粉作为光热材料结合PIC水凝胶骨架，实现了高效且经济的太阳能蒸发器构建；通过拉曼光谱和红外光谱结合等效蒸发焓测定，从水分子状态和能量角度阐明了电荷比调控SVG性能的内在机制。此外，HCC在海水和酸碱废水中的稳定高效蒸发表现，展示了其实际应用的潜力。