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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(shù)中，界面太陽能蒸汽生成（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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(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的制備工藝及機理示意圖展示了受章魚啟發(fā)的仿生設(shè)計。利用3D針織技術(shù)制備經(jīng)編間隔織物（SF），并通過靜電植絨技術(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(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(jié)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(jié)論

本研究通過結(jié)合3D針織技術(shù)和靜電植絨工藝，成功開發(fā)了一種具有仿生章魚結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了從“被動-靜態(tài)”到“主動-動態(tài)”水熱平衡的范式轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)合焦耳熱效應）。其高度可調(diào)的仿生結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)策略。

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DOI: 10.1002/advs.202521275

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