Advanced Science|仿生自适应水热平衡织物基双界面太阳能蒸发器用于高效稳定海水淡化|advanced science|双界面|太阳能蒸发器|水热平衡|自适应|蒸汽

研究背景

伴随着人口增长和环境污染，全球淡水资源短缺问题日益严峻，海水淡化成为解决这一危机的理想方案之一。在众多技术中，界面太阳能蒸汽生成（ISSG）技术因其低能耗和可持续性而被视为极具前景的方向。然而，传统的ISSG设计往往难以适应自然界中持续变化的太阳辐射强度，导致热能与水供应之间的动力学不匹配，从而阻碍了动态水热平衡的实现。具体而言，当光照强度低于水供应能力时，热量会向体相水流失；反之，当光照过强时，过剩的热量积聚会导致辐射和对流热损失，并可能引发“干斑”现象和盐结晶。尽管已有研究尝试通过非对称润湿性或亲疏水聚合物组合来调节单一的水或热管理，但在实现水-热协同动态管理方面仍存在挑战。受海洋章鱼独特结构的启发，研究人员亟需开发一种能够根据光照强度动态调节热分布并匹配相应水供应的新型结构，以在波动的环境条件下实现高效、稳定的海水淡化。

相关工作以“Biomimetic Adaptive Hydrothermal Balance Fabric‐Based Dual‐Interface Solar Evaporator for Efficient and Stable Desalination”为题，发表在《Advanced Science》期刊上。（JCR一区，中科院一区TOP，2024年IF=14.3）

相关数据

图1：PDMS-CFs-CFF-SF的制备工艺及机理示意图展示了受章鱼启发的仿生设计。利用3D针织技术制备经编间隔织物（SF），并通过静电植绒技术将超疏水碳纤维（PDMS-CFs）集成到碳纤维毡（CFF）表面，构建出具有双界面蒸发能力的特殊结构。该结构利用疏水间隔纱线在强光下将上层过剩热量定向传输至下层，触发双界面蒸发，同时利用下层的大孔结构调节含水量以匹配热量。

图2：表面形貌与化学成分表征（a-d）SEM图像显示CFs表面经过PDMS改性后均分布有纳米颗粒，且通过静电植绒在CFF表面形成了粗糙的3D结构，有利于光捕获。（e）3D形貌图证实了PDMS-CFs-CFF表面的不规则性。（f-i）FTIR、XPS、XRD和拉曼光谱证实了PDMS的成功接枝及碳纤维结构的完整性。

图3：热管理与水管理性能表征（b）吸收光谱显示该材料在UV-vis-NIR波段具有约95.6%的高吸收率。（e-f）红外热成像及温度曲线表明，随着光强增加，下层界面温度显著上升，验证了热量的定向传输机制。（j-k）含水量测试与COMSOL模拟显示，上层（小孔）含水量高，下层（大孔）含水量低，实现了水-热分布的自适应匹配。

图4：防污性能与机械性能（a-b）展示了材料对咖啡、牛奶等液体的超疏水性（接触角>170°）。（c）经过60次水洗后接触角仍保持稳定。（d）自清洁测试显示污染物可被水流轻易带走。（e-g）压缩回复测试表明材料具有优异的弹性和柔韧性，且可折叠卷曲，便于大规模应用。

图5：水蒸发性能测试（b-c）在不同光强下，PDMS-CFs-CFF-SF的蒸发速率均优于对比样品。（d）在1 kWm-2光照下，实现了3.14 kgm-2h-1的高蒸发率和129.32%的蒸发效率。（f-i）长期盐水实验无结晶析出，脱盐后的水质离子浓度远低于WHO标准，电阻率达到饮用水水平。

图6：户外实验与废水净化（a-c）户外实际测试显示在自然光照下平均蒸发率为1.82 kg m-2h-1。（d-h）对染料（RB, MO, MB）和重金属离子（Co, Cr, Cu, Mn）的去除率接近100%。（i）在无光条件下，可通过施加低电压（1.5-4.5V）利用焦耳热产生蒸汽，实现全天候净化。

图7：对入射光角度的自适应性（a-b）模拟显示不同高度的样品在不同入射角下的投影面积变化。（c-f）户外实验证明，通过根据太阳高度角调节蒸发器的高度（模仿章鱼姿态），可以显著增加全天的集水量。

研究结论

本研究通过结合3D针织技术和静电植绒工艺，成功开发了一种具有仿生章鱼结构的双界面太阳能蒸发器（PDMS-CFs-CFF-SF）。该蒸发器利用其独特的间隔纱线结构，实现了从“被动-静态”到“主动-动态”水热平衡的范式转变：当光照强度超过上层界面的处理能力时，疏水间隔纱线能将过剩热量定向传输至下层界面，触发双界面协同蒸发。同时，下层的大孔结构限制了水分供应，使其与接收到的余热完美匹配，从而最大化了能量利用率。

实验结果表明，该蒸发器在1个太阳光照下实现了3.14 kg m-2h-1的高蒸发速率和129.32%的超高效率。此外，该装置还具备优异的耐盐性、自清洁能力、机械稳定性以及全天候废水净化能力（结合焦耳热效应）。其高度可调的仿生结构还能适应不同时间的太阳入射角，进一步提升了实际产水量。这项工作为设计具有动态水热平衡能力的下一代高效太阳能海水淡化装置提供了全新的结构策略。