Advanced Science|仿生自適應(yīng)水熱平衡織物基雙界面太陽(yáng)能蒸發(fā)器用于高效穩(wěn)定海水淡化

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研究背景

伴隨著人口增長(zhǎng)和環(huán)境污染，全球淡水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)峻，海水淡化成為解決這一危機(jī)的理想方案之一 。在眾多技術(shù)中，界面太陽(yáng)能蒸汽生成（ISSG）技術(shù)因其低能耗和可持續(xù)性而被視為極具前景的方向 。然而，傳統(tǒng)的ISSG設(shè)計(jì)往往難以適應(yīng)自然界中持續(xù)變化的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，導(dǎo)致熱能與水供應(yīng)之間的動(dòng)力學(xué)不匹配，從而阻礙了動(dòng)態(tài)水熱平衡的實(shí)現(xiàn) 。具體而言，當(dāng)光照強(qiáng)度低于水供應(yīng)能力時(shí)，熱量會(huì)向體相水流失；反之，當(dāng)光照過(guò)強(qiáng)時(shí)，過(guò)剩的熱量積聚會(huì)導(dǎo)致輻射和對(duì)流熱損失，并可能引發(fā)“干斑”現(xiàn)象和鹽結(jié)晶 。盡管已有研究嘗試通過(guò)非對(duì)稱(chēng)潤(rùn)濕性或親疏水聚合物組合來(lái)調(diào)節(jié)單一的水或熱管理，但在實(shí)現(xiàn)水-熱協(xié)同動(dòng)態(tài)管理方面仍存在挑戰(zhàn) 。受海洋章魚(yú)獨(dú)特結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究人員亟需開(kāi)發(fā)一種能夠根據(jù)光照強(qiáng)度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)熱分布并匹配相應(yīng)水供應(yīng)的新型結(jié)構(gòu)，以在波動(dòng)的環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的海水淡化 。

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

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相關(guān)數(shù)據(jù)

圖1：PDMS-CFs-CFF-SF的制備工藝及機(jī)理示意圖展示了受章魚(yú)啟發(fā)的仿生設(shè)計(jì)。利用3D針織技術(shù)制備經(jīng)編間隔織物（SF），并通過(guò)靜電植絨技術(shù)將超疏水碳纖維（PDMS-CFs）集成到碳纖維氈（CFF）表面，構(gòu)建出具有雙界面蒸發(fā)能力的特殊結(jié)構(gòu) 。該結(jié)構(gòu)利用疏水間隔紗線(xiàn)在強(qiáng)光下將上層過(guò)剩熱量定向傳輸至下層，觸發(fā)雙界面蒸發(fā)，同時(shí)利用下層的大孔結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)含水量以匹配熱量 。

圖2：表面形貌與化學(xué)成分表征（a-d）SEM圖像顯示CFs表面經(jīng)過(guò)PDMS改性后均分布有納米顆粒，且通過(guò)靜電植絨在CFF表面形成了粗糙的3D結(jié)構(gòu)，有利于光捕獲。（e）3D形貌圖證實(shí)了PDMS-CFs-CFF表面的不規(guī)則性。（f-i）FTIR、XPS、XRD和拉曼光譜證實(shí)了PDMS的成功接枝及碳纖維結(jié)構(gòu)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(xiàn)表明，隨著光強(qiáng)增加，下層界面溫度顯著上升，驗(yàn)證了熱量的定向傳輸機(jī)制 。（j-k）含水量測(cè)試與COMSOL模擬顯示，上層（小孔）含水量高，下層（大孔）含水量低，實(shí)現(xiàn)了水-熱分布的自適應(yīng)匹配 。

圖4：防污性能與機(jī)械性能（a-b）展示了材料對(duì)咖啡、牛奶等液體的超疏水性（接觸角>170°）。（c）經(jīng)過(guò)60次水洗后接觸角仍保持穩(wěn)定 。（d）自清潔測(cè)試顯示污染物可被水流輕易帶走。（e-g）壓縮回復(fù)測(cè)試表明材料具有優(yōu)異的彈性和柔韌性，且可折疊卷曲，便于大規(guī)模應(yīng)用 。

圖5：水蒸發(fā)性能測(cè)試（b-c）在不同光強(qiáng)下，PDMS-CFs-CFF-SF的蒸發(fā)速率均優(yōu)于對(duì)比樣品。（d）在1 kWm-2光照下，實(shí)現(xiàn)了3.14 kgm-2h-1的高蒸發(fā)率和129.32%的蒸發(fā)效率。（f-i）長(zhǎng)期鹽水實(shí)驗(yàn)無(wú)結(jié)晶析出，脫鹽后的水質(zhì)離子濃度遠(yuǎn)低于WHO標(biāo)準(zhǔn)，電阻率達(dá)到飲用水水平。

圖6：戶(hù)外實(shí)驗(yàn)與廢水凈化（a-c）戶(hù)外實(shí)際測(cè)試顯示在自然光照下平均蒸發(fā)率為1.82 kg m-2h-1。（d-h）對(duì)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(wú)光條件下，可通過(guò)施加低電壓（1.5-4.5V）利用焦耳熱產(chǎn)生蒸汽，實(shí)現(xiàn)全天候凈化。

圖7：對(duì)入射光角度的自適應(yīng)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(hù)外實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)根據(jù)太陽(yáng)高度角調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的高度（模仿章魚(yú)姿態(tài)），可以顯著增加全天的集水量 。

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研究結(jié)論

本研究通過(guò)結(jié)合3D針織技術(shù)和靜電植絨工藝，成功開(kāi)發(fā)了一種具有仿生章魚(yú)結(jié)構(gòu)的雙界面太陽(yáng)能蒸發(fā)器（PDMS-CFs-CFF-SF）。該蒸發(fā)器利用其獨(dú)特的間隔紗線(xiàn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了從“被動(dòng)-靜態(tài)”到“主動(dòng)-動(dòng)態(tài)”水熱平衡的范式轉(zhuǎn)變：當(dāng)光照強(qiáng)度超過(guò)上層界面的處理能力時(shí)，疏水間隔紗線(xiàn)能將過(guò)剩熱量定向傳輸至下層界面，觸發(fā)雙界面協(xié)同蒸發(fā) 。同時(shí)，下層的大孔結(jié)構(gòu)限制了水分供應(yīng)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該蒸發(fā)器在1個(gè)太陽(yáng)光照下實(shí)現(xiàn)了3.14 kg m-2h-1的高蒸發(fā)速率和129.32%的超高效率。此外，該裝置還具備優(yōu)異的耐鹽性、自清潔能力、機(jī)械穩(wěn)定性以及全天候廢水凈化能力（結(jié)合焦耳熱效應(yīng)）。其高度可調(diào)的仿生結(jié)構(gòu)還能適應(yīng)不同時(shí)間的太陽(yáng)入射角，進(jìn)一步提升了實(shí)際產(chǎn)水量。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)具有動(dòng)態(tài)水熱平衡能力的下一代高效太陽(yáng)能海水淡化裝置提供了全新的結(jié)構(gòu)策略。

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DOI: 10.1002/advs.202521275

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