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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(wǎng) 更新時間：2025-03-24 15:58:56

中化新網(wǎng)訊太陽能海水淡化技術(shù)被譽為解決淡水危機的“頂流方案”。近日，東華大學(xué)陳志鋼研究團隊通過仿生設(shè)計，開發(fā)出一種具有三層結(jié)構(gòu)的透氣性光熱織物蒸發(fā)器，不僅實現(xiàn)了四面高效蒸發(fā)，還突破了鹽結(jié)晶瓶頸，為海水淡化工業(yè)化應(yīng)用按下了加速鍵。相關(guān)研究成果發(fā)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(gòu)造——表皮層鎖水、中間層輸水、氣孔層蒸發(fā)。研究團隊將這一自然智慧“復(fù)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(shù)，制備出一種可呼吸的二維三層結(jié)構(gòu)光熱織物。據(jù)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(jié)構(gòu)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(chuàng)新的三層結(jié)構(gòu)，同時保留了二維材料的靈活性和可擴展性。

　　經(jīng)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(fā)過程中的熱損失，帶來了更優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，為高效太陽能海水蒸發(fā)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(diào)控表面水分子狀態(tài)，顯著降低水分子“逃逸”所需能量，從而進一步降低蒸發(fā)焓并提升蒸發(fā)效率。

　　以該織物構(gòu)筑的向光斜掛蒸發(fā)器如同“人工樹葉”，海水沿著上下織物層流動，實現(xiàn)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(zhuǎn)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(fā)。蒸發(fā)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(guī)避了蒸發(fā)表面鹽分堆積的問題。胡金晶比喻道：“傳統(tǒng)二維膜像單面煎鍋，我們則造出了能‘四面包裹蒸發(fā)’的智能蒸籠。”研究顯示，其蒸發(fā)速率是傳統(tǒng)二維膜的1.6倍。

　　該織物還具有顯著的成本優(yōu)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(yè)兼容。陳志鋼指出：“三維水凝膠蒸發(fā)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(xù)研究表明，向光斜掛蒸發(fā)器能在連續(xù)千小時測試中實現(xiàn)蒸發(fā)表面無鹽結(jié)晶析出。這種蒸發(fā)器底部的鹵水滴落設(shè)計如同“自動排鹽閥”，解決了行業(yè)長期以來的痛點。

　　這一研究成果為2D柔性光熱膜的大規(guī)模設(shè)計和太陽能驅(qū)動海水淡化工業(yè)化應(yīng)用開辟了新視角，為解決全球淡水資源危機提供了創(chuàng)新解決方案。

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