Advanced Science|仿生自適應水熱平衡織物基雙界面太陽能蒸發器用于高效穩定海水淡化

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研究背景

伴隨著人口增長和環境污染，全球淡水資源短缺問題日益嚴峻，海水淡化成為解決這一危機的理想方案之一 。在眾多技術中，界面太陽能蒸汽生成（ISSG）技術因其低能耗和可持續性而被視為極具前景的方向 。然而，傳統的ISSG設計往往難以適應自然界中持續變化的太陽輻射強度，導致熱能與水供應之間的動力學不匹配，從而阻礙了動態水熱平衡的實現 。具體而言，當光照強度低于水供應能力時，熱量會向體相水流失；反之，當光照過強時，過剩的熱量積聚會導致輻射和對流熱損失，并可能引發“干斑”現象和鹽結晶 。盡管已有研究嘗試通過非對稱潤濕性或親疏水聚合物組合來調節單一的水或熱管理，但在實現水-熱協同動態管理方面仍存在挑戰 。受海洋章魚獨特結構的啟發，研究人員亟需開發一種能夠根據光照強度動態調節熱分布并匹配相應水供應的新型結構，以在波動的環境條件下實現高效、穩定的海水淡化 。

相關工作以“Biomimetic Adaptive Hydrothermal Balance Fabric‐Based Dual‐Interface Solar Evaporator for Efficient and Stable Desalination”為題，發表在《Advanced Science》期刊上。（JCR一區，中科院一區TOP，2024年IF=14.3）

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相關數據

圖1：PDMS-CFs-CFF-SF的制備工藝及機理示意圖展示了受章魚啟發的仿生設計。利用3D針織技術制備經編間隔織物（SF），并通過靜電植絨技術將超疏水碳纖維（PDMS-CFs）集成到碳纖維氈（CFF）表面，構建出具有雙界面蒸發能力的特殊結構 。該結構利用疏水間隔紗線在強光下將上層過剩熱量定向傳輸至下層，觸發雙界面蒸發，同時利用下層的大孔結構調節含水量以匹配熱量 。

圖2：表面形貌與化學成分表征（a-d）SEM圖像顯示CFs表面經過PDMS改性后均分布有納米顆粒，且通過靜電植絨在CFF表面形成了粗糙的3D結構，有利于光捕獲。（e）3D形貌圖證實了PDMS-CFs-CFF表面的不規則性。（f-i）FTIR、XPS、XRD和拉曼光譜證實了PDMS的成功接枝及碳纖維結構的完整性 。

圖3：熱管理與水管理性能表征（b）吸收光譜顯示該材料在UV-vis-NIR波段具有約95.6%的高吸收率 。（e-f）紅外熱成像及溫度曲線表明，隨著光強增加，下層界面溫度顯著上升，驗證了熱量的定向傳輸機制 。（j-k）含水量測試與COMSOL模擬顯示，上層（小孔）含水量高，下層（大孔）含水量低，實現了水-熱分布的自適應匹配 。

圖4：防污性能與機械性能（a-b）展示了材料對咖啡、牛奶等液體的超疏水性（接觸角>170°）。（c）經過60次水洗后接觸角仍保持穩定 。（d）自清潔測試顯示污染物可被水流輕易帶走。（e-g）壓縮回復測試表明材料具有優異的彈性和柔韌性，且可折疊卷曲，便于大規模應用 。

圖5：水蒸發性能測試（b-c）在不同光強下，PDMS-CFs-CFF-SF的蒸發速率均優于對比樣品。（d）在1 kWm-2光照下，實現了3.14 kgm-2h-1的高蒸發率和129.32%的蒸發效率。（f-i）長期鹽水實驗無結晶析出，脫鹽后的水質離子濃度遠低于WHO標準，電阻率達到飲用水水平。

圖6：戶外實驗與廢水凈化（a-c）戶外實際測試顯示在自然光照下平均蒸發率為1.82 kg m-2h-1。（d-h）對染料（RB, MO, MB）和重金屬離子（Co, Cr, Cu, Mn）的去除率接近100%。（i）在無光條件下，可通過施加低電壓（1.5-4.5V）利用焦耳熱產生蒸汽，實現全天候凈化。

圖7：對入射光角度的自適應性（a-b）模擬顯示不同高度的樣品在不同入射角下的投影面積變化。（c-f）戶外實驗證明，通過根據太陽高度角調節蒸發器的高度（模仿章魚姿態），可以顯著增加全天的集水量 。

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研究結論

本研究通過結合3D針織技術和靜電植絨工藝，成功開發了一種具有仿生章魚結構的雙界面太陽能蒸發器（PDMS-CFs-CFF-SF）。該蒸發器利用其獨特的間隔紗線結構，實現了從“被動-靜態”到“主動-動態”水熱平衡的范式轉變：當光照強度超過上層界面的處理能力時，疏水間隔紗線能將過剩熱量定向傳輸至下層界面，觸發雙界面協同蒸發 。同時，下層的大孔結構限制了水分供應，使其與接收到的余熱完美匹配，從而最大化了能量利用率 。

實驗結果表明，該蒸發器在1個太陽光照下實現了3.14 kg m-2h-1的高蒸發速率和129.32%的超高效率。此外，該裝置還具備優異的耐鹽性、自清潔能力、機械穩定性以及全天候廢水凈化能力（結合焦耳熱效應）。其高度可調的仿生結構還能適應不同時間的太陽入射角，進一步提升了實際產水量。這項工作為設計具有動態水熱平衡能力的下一代高效太陽能海水淡化裝置提供了全新的結構策略。

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DOI: 10.1002/advs.202521275

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