水凝胶由于其优越的柔软性、可拉伸性、透明性、生物相容性和独特的溶胀-收缩性等特点,具有广泛的应用前景。其中,体系中包含可移动的自由离子或固定的离子基团的水凝胶统称为离子水凝胶,这些离子在电场、力场和化学势场中展现出特定的离子效应,赋予水凝胶离子导电性、静电粘附性、阻盐性和高溶胀度等特殊属性,进一步促进了离子水凝胶在柔性电子与水处理领域的应用。然而,目前大多数器件中采用的离子水凝胶是均质结构的水凝胶,而均质结构难以实现离子水凝胶的定向物质传输和环境稳定性。本论文针对以上挑战,从离子水凝胶的离子浓度、离子种类和溶剂种类三个方面进行了非均质的结构设计与优化,深入探究了非均质结构与离子效应的内在联系,并展示了其在海水淡化与柔性电子领域中的应用潜力。主要研究成果概述如下:（1）通过扩散辅助共聚法制备了一种横截面方向上聚离子浓度（电荷密度）呈现梯度分布的非均质水凝胶膜,实现了水凝胶内部物质的定向传输。该电荷梯度聚离子水凝胶（CGH）内部存在着与电荷梯度方向相同的渗透压梯度,渗透压梯度将驱动液体从低电荷密度区域到高电荷密度区域的定向传输。此外,由于道南平衡效应,CGH的盐浓度从低电荷密度区域到高电荷密度区域逐渐降低,并始终低于外界溶液的盐浓度。基于以上特点,CGH膜在膜蒸馏海水淡化应用中展现出高产水量与优异的抗污性,实现了高盐废水的极限回收——零液排放。（2）通过将聚阴离子水凝胶与聚阳离子水凝胶组装构成聚离子水凝胶异质结,实现了离子电流的定向导通与开关控制。该水凝胶异质结表现出明显的离子整流行为,离子整流比最高可达49.97,是一种柔性的离子二极管。由于异质结耗尽区内强静电作用与能量耗散机制,聚离子水凝胶异质结展现出动态可调的强粘附力,最高可达75.68 N m-1。基于聚离子水凝胶异质结高强、可逆的界面粘附,发明了一种魔术贴式柔性电池,该电池通过聚离子水凝胶异质结界面间的贴合/剥离操作可实现开/关控制,解决了电池在非服役过程中的自放电问题,实现了电池容量的长周期保持功能。（3）受人体皮肤结构启发,采用一步共聚法制备出了芯层是包含自由离子的水-乙二醇（EG）凝胶、表层是油凝胶的水/油异质离子凝胶,实现了离子凝胶在宽温度区间（-40～80 oC）与湿度区间（30～100 RH%）下的稳定性。非挥发性油凝胶作为保护层可以有效防止离子水凝胶在高温干燥环境（80 oC,30 RH%）中脱水,以及在水溶液（100 RH%）中吸水溶胀和发生离子泄露。此外,水凝胶中EG的引入可显著降低水的冰点,使水/油异质离子凝胶在-40 oC下展现出防冻性。两层水/油异质离子凝胶叠加可得到电容式离子皮肤,得益于水/油异质离子凝胶优越的环境稳定性,该离子皮肤在高湿、高温与低温等严酷环境中均能稳定运行。