随着人口增长和工业化加速，淡水短缺和水污染已成为可持续发展的紧迫挑战。传统的海水或废水淡化技术依赖于大量的能源消耗，从而加剧了能源危机，使得这些技术不适用于欠发达和偏远地区。太阳能驱动的界面蒸发技术展示了利用绿色太阳能处理海水或废水以生产淡水的巨大潜力。目前，太阳能蒸发器的技术进步主要集中在复杂的多孔结构设计上，以提高光热转换效率和耐盐性，这些因素被认为是实现长期高效太阳能水蒸发的关键（Dai等人，2024年；Hou等人，2025年）。通过调节水的状态来降低水蒸发焓被认为是超越理论蒸发极限的另一种方法（Geng等人，2024年；Sun等人，2024年）。因此，最近有人提出将这两种策略结合起来制备太阳能蒸发器，旨在同时提高耐盐性、淡水产量和太阳能转换效率（Liang等人，2025年）。然而，同时满足大规模生产和可回收性的需求仍然是一个重大挑战。
作为一种有前景的软质平台，水凝胶已被广泛研究用于开发具有可调且性能优良的光太阳能蒸发器，这是通过工程化分层孔隙或通道结构以及亲水性聚合物三维（3D）网络来实现的（Guo等人，2020年；M. Wang等人，2024年）。定向冷冻方法（也称为冰模板技术）被认为是创建水凝胶中各向异性通道的有效且吸引人的方法，具有较低的设备成本和时间消耗（Joukhdar等人，2021年；S. Li等人，2024年）。与结构复杂度高的随机孔隙相比，通过单向冷冻方法制备的各向异性孔隙可以提高水凝胶蒸发器的传水能力和离子扩散能力，从而显著提升光热转换性能（Ma等人，2023年；Qin等人，2019年；Xu等人，2019年）。类似于自然树木，具有双峰直径分布的各向异性通道的形成可以增强水凝胶蒸发器的质量通量，实现连续蒸发而不产生大量盐沉积（He等人，2019年；Kuang等人，2019年；Wang, Wang, Wang, & Wu，2025年；Wang, Wang, Zhang等人，2025年；Wang & Wu，2024年）。此外，通过定向冷冻在水分传输方向上构建大通道，同时在垂直于通道的方向上制造较小孔隙，是一种平衡热局部化和耐盐性的有效方法，从而实现高盐度水的快速稳定脱盐（Liu等人，2022年）。此外，通过图案化蒸发表面（例如，设计有序结构的3D结构）可以诱导温度和表面张力梯度，从而驱动马兰戈尼对流（Guo等人，2019年；Jang等人，2020年；Lu等人，2021年）。这表明，特别是将正交排列的定向通道与蒸发表面图案化相结合的集成策略，能有效提升水凝胶蒸发器的整体性能。
增强聚合物链与水分子之间的相互作用是制备具有预期蒸发性能的水凝胶蒸发器的另一个关键方面（Taranova等人，2024年）。迄今为止，聚乙烯醇（PVA）因其丰富的羟基而被广泛用作水凝胶基质，这些羟基能够形成比水-水氢键（HBs）更弱的水-聚合物氢键（HBs），从而改变水的状态并降低其蒸发焓（Guo等人，2020年；L. Li等人，2021年；Song等人，2021年；Wen等人，2021年）。然而，基于PVA的水凝胶蒸发器在高盐度盐水环境中的太阳能脱盐性能往往受到限制。这一限制源于盐离子与水分子之间的强水合作用，这抵消了降低水蒸发焓的效果（Yu等人，2024年；X. Zhou等人，2020年）。一种有效的策略是将亲水性多糖（如纤维素、淀粉、壳聚糖和海藻酸盐）引入PVA水凝胶网络中，以降低水蒸发焓并改善在盐水环境中的整体蒸发性能（Wang等人，2025年；Yang等人，2024年；Zhu等人，2025年；Zhu, Xu等人，2025年；Zhu, Yuan等人，2025年）。引入的多糖可以通过强PVA-多糖氢键参与聚合物网络的构建（Liu等人，2023年），另一方面，可以通过功能基团诱导弱的水-多糖氢键，从而降低盐水的蒸发焓（Zhou, Zhao等人，2019年）。
壳聚糖（CS）因其良好的抗菌性能和通过较弱的水-胺氢键相互作用降低蒸发焓的能力而被广泛用作功能性共基质（Anukunwithaya等人，2024年；Zhu, Xu等人，2025年）。常用的化学方法如醇-醛缩合（Wang等人，2025年；Zhu, Qian等人，2025年）和物理方法如冻融（F-T）处理（Zhu, Yuan等人，2025年）常用于增强PVA-CS网络。然而，化学交联会降低聚合物网络的水合能力，而重复的F-T处理既耗时又耗能。在我们之前的研究中（Wang & Wu，2024年），我们发现使用壳聚糖-磷酸前驱体可以直接通过定向冷冻和离子交联制备多孔水凝胶蒸发器，无需额外的共价反应和F-T处理。众所周知，壳聚糖含有大量的胺基，因此通过引入水溶性聚合物（如PVA）可以轻松调节水凝胶网络的水合能力。此外，酸性壳聚糖溶液系统中存在的自由磷酸根离子可以诱导PVA链的盐析作用，进一步增强水凝胶网络。因此，我们假设使用PVA作为壳聚糖-磷酸前驱体中的共基质聚合物，可以同时提高水凝胶网络的水合能力和在基于壳聚糖的水凝胶蒸发器中构建多层次的水分传输路径，并进行了相关研究。
简而言之，使用PVA和壳聚糖作为共基质，与单宁酸处理的碳纳米管（CNTs）一起制备了复合水凝胶。通过铜针阵列进行定向冷冻以实现双向冰生长，同时利用自由磷酸根离子引起的盐析作用和植酸诱导的离子交联来构建坚固的水凝胶网络，如图1所示。在没有铜针的底部区域形成了垂直排列的通道，作为水分传输的主要路径；在有铜针的顶部区域形成了正交方向的孔结构。脱模后留下的大孔促进了盐的扩散和回流，而垂直于孔的小通道有助于浓缩盐水的排出。此外，通过去除冷指（cold finger）可以对蒸发表面进行图案化处理，使通道在孔周围呈放射状分布。这提高了光热转换效率，有利于水分排出和脱盐。通过调整壳聚糖的含量可以轻松调节水蒸发焓。优化后的蒸发器在1太阳光照条件下的纯水蒸发速率为4.13 kg m−2 h−1，通过霍夫迈斯特效应进一步将其提高到4.51 kg m−2 h−1（3.5 wt%盐水）。随后评估了其耐盐性和蒸发器的耐用性。本研究提出了一种利用壳聚糖和PVA同时构建多方向孔隙和调节水状态的策略，用于制备太阳能驱动的界面脱盐装置。
