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仿生光熱織物助力太陽能海水淡化

文章來源：中化新網更新時間：2025-03-24 15:58:56

中化新網訊太陽能海水淡化技術被譽為解決淡水危機的“頂流方案”。近日，東華大學陳志鋼研究團隊通過仿生設計，開發出一種具有三層結構的透氣性光熱織物蒸發器，不僅實現了四面高效蒸發，還突破了鹽結晶瓶頸，為海水淡化工業化應用按下了加速鍵。相關研究成果發表在《先進材料》上。

　　植物葉片為何能通過薄薄的表層完成高效蒸騰?答案在于其精妙的三層構造——表皮層鎖水、中間層輸水、氣孔層蒸發。研究團隊將這一自然智慧“復刻”到人造材料上，以商用聚酯(PET)單根纖維為原料，通過織造與激光雕刻技術，制備出一種可呼吸的二維三層結構光熱織物。據陳志鋼研究團隊成員胡金晶介紹，他們利用碳/高分子水凝膠對織物進行表面修飾，并通過激光在織物頂層雕刻氣孔陣列，最終獲得類樹葉結構的光熱織物。這種織物具有上層織物、下層織物以及上下層間短纖維柱狀帶來的空氣層，形成了創新的三層結構，同時保留了二維材料的靈活性和可擴展性。

　　經實驗驗證，這種織物具有廣譜和96.1%的高太陽能吸收效率，幾乎可以“榨干”每一縷陽光。空氣填充的氣孔和中間層有效降低了蒸發過程中的熱損失，帶來了更優異的光熱轉換性能，為高效太陽能海水蒸發提供了理想的光熱平臺。此外，織物表面含有大量的極性官能團，可通過強氫鍵和靜電相互作用調控表面水分子狀態，顯著降低水分子“逃逸”所需能量，從而進一步降低蒸發焓并提升蒸發效率。

　　以該織物構筑的向光斜掛蒸發器如同“人工樹葉”，海水沿著上下織物層流動，實現了從高海水槽向低空槽的海水傳輸。在陽光照射下，織物吸收太陽光并將其轉化為熱能，促使海水在頂層織物的上下表面和底層織物的上下表面同時蒸發。蒸發后剩余的濃縮海水則從織物底端滴落至低空收集槽，徹底規避了蒸發表面鹽分堆積的問題。胡金晶比喻道：“傳統二維膜像單面煎鍋，我們則造出了能‘四面包裹蒸發’的智能蒸籠。”研究顯示，其蒸發速率是傳統二維膜的1.6倍。

　　該織物還具有顯著的成本優勢，其原料聚酯纖維價格僅為水凝膠的1/3，且編織工藝與紡織工業兼容。陳志鋼指出：“三維水凝膠蒸發器就像定制西裝，我們的織物則是可批量裁剪的布料。”正在進行的后續研究表明，向光斜掛蒸發器能在連續千小時測試中實現蒸發表面無鹽結晶析出。這種蒸發器底部的鹵水滴落設計如同“自動排鹽閥”，解決了行業長期以來的痛點。

　　這一研究成果為2D柔性光熱膜的大規模設計和太陽能驅動海水淡化工業化應用開辟了新視角，為解決全球淡水資源危機提供了創新解決方案。

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