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研究背景

伴隨著人口增長和環(huán)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(xù)性而被視為極具前景的方向 。然而，傳統(tǒng)的ISSG設計往往難以適應自然界中持續(xù)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(tài)水熱平衡的實現(xiàn) 。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(fā)“干斑”現(xiàn)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(diào)節(jié)單一的水或熱管理，但在實現(xiàn)水-熱協(xié)同動態(tài)管理方面仍存在挑戰(zhàn) 。受海洋章魚獨特結構的啟發(fā)，研究人員亟需開發(fā)一種能夠根據(jù)光照強度動態(tài)調(diào)節(jié)熱分布并匹配相應水供應的新型結構，以在波動的環(huán)境條件下實現(xiàn)高效、穩(wěn)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(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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相關數(shù)據(jù)

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(fā)的仿生設計。利用3D針織技術制備經(jīng)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(fā)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(fā)雙界面蒸發(fā)，同時利用下層的大孔結構調(diào)節(jié)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(jīng)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(guī)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(xiàn)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(jīng)過60次水洗后接觸角仍保持穩(wěn)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(yōu)異的彈性和柔韌性，且可折疊卷曲，便于大規(guī)模應用 。

圖5：水蒸發(fā)性能測試（b-c）在不同光強下，PDMS-CFs-CFF-SF的蒸發(fā)速率均優(yōu)于對比樣品。（d）在1 kWm-2光照下，實現(xiàn)了3.14 kgm-2h-1的高蒸發(fā)率和129.32%的蒸發(fā)效率。（f-i）長期鹽水實驗無結晶析出，脫鹽后的水質(zhì)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(fā)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(chǎn)生蒸汽，實現(xiàn)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(jù)太陽高度角調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的高度（模仿章魚姿態(tài)），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(fā)了一種具有仿生章魚結構的雙界面太陽能蒸發(fā)器（PDMS-CFs-CFF-SF）。該蒸發(fā)器利用其獨特的間隔紗線結構，實現(xiàn)了從“被動-靜態(tài)”到“主動-動態(tài)”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(fā)雙界面協(xié)同蒸發(fā) 。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(fā)器在1個太陽光照下實現(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、機械穩(wěn)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(diào)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(chǎn)水量。這項工作為設計具有動態(tài)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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