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東華大學陳志鋼教授團隊 AFM: 仿生設計碳纖維/二氧化鈦@聚吡咯光熱-電熱織物用于全天候海水蒸發

2025-02-15 來源：高分子科技

光熱/電熱驅動的海水蒸發是一種有效緩解淡水危機的策略，但其實際應用受限于不理想的光吸收和嚴重的水電解。受到天堂鳥黑色羽毛結構和電熱水壺加熱模塊的啟發，仿生設計以碳纖維(CF)為核和二氧化鈦/聚吡咯(TiO₂/PPy)納米陣列為殼的光熱/電熱織物，促使太陽光的多次反射/吸收，有效地抑制電熱過程中水的電解，提升光熱-電熱轉換性能，并降低能源浪費和安全風險。因此，由碳-芯/納米棒陣列-殼纖維構成的光熱-電熱織物有重要意義。

圖1 光熱-電熱織物的仿生設計與制備

近期，東華大學陳志鋼教授團隊仿生設計了由碳-芯/納米棒陣列-殼纖維構成的光熱-電熱織物，用于高效全天候海水蒸發。眾所周知，天堂鳥具有超黑的羽毛，光吸收率高達99.99%，起源于分等級結構帶來的陷光效應(圖1 a)。另外，電熱水壺能通過電熱效應加熱水，但是不會電解水，起源于加熱模塊的導電核-絕緣殼層結構(圖1 b)。受到天堂鳥羽毛和電熱水壺的啟發，設計和制備了一種具有陷光結構且抗電解水的光熱-電熱織物用于全天候海水蒸發(圖1 c)。該織物以高導電性的碳纖維(CF)作為核，通過水熱和化學聚合兩步法在其表面生長二氧化鈦@聚吡咯(TiO₂/PPy)納米陣列涂層(圖1 d)。該織物兼具了天堂鳥超黑羽毛和電熱水壺加熱模塊的優勢，集成了多級太陽光吸收和抗電解水的功能，提高了太陽光和電能的利用，實現了高效的光熱-電熱蒸發性能，為全天候海水淡化提供了新途徑。

相關成果以“Biomimetic Design of Photothermal/Electrothermal Fabric Composed of Carbon-Core/Nanorod-Array-Shell Fibers for Efficient All-Weather Seawater Evaporation”為題發表在《Advanced Functional Materials》上(Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2423472)。文章第一作者是東華大學博士生李小龍，通訊作者為東華大學陳志鋼教授和張麗莎教授，朱美芳院士提供了重要指導。該研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持。

圖2 光熱-電熱織物的光吸收與光熱轉換

實驗和模擬結果證明，類似于天堂鳥羽毛的陣列結構設計賦予了CF/TiO₂/PPy織物優異的光吸收能力和光熱轉換性能(圖2)。將CF/TiO₂/PPy織物構筑成懸掛式蒸發器，在太陽光照(1 kw m^-2)下，其蒸發速率達2.2 kg m^-2 h^-1。

圖3 光熱-電熱織物的電化學測試與電熱轉換

CF/TiO₂/PPy織物能有效地抑制水的電解，并展現優異的電熱轉換性能(圖3)。由于TiO₂-殼的屏蔽作用，CF/TiO₂/PPy織物能有抑制電子進入水體，減少織物表面氣泡的生成。此外，得益于碳纖維的高導電性和TiO₂-殼的有效傳熱，CF/TiO₂/PPy織物實現了高效的電熱蒸發海水，在3 V電壓下，其蒸發速率達7.9 kg m^-2 h^-1，優于目前大多數電熱蒸發材料。

圖4織物的光熱/電熱蒸發與數值模擬

CF/TiO₂/PPy織物具有優異的光熱-電熱轉換性能和蒸發性能(圖4)。在3 V電壓和一個太陽(1 kw m^-2)共同作用下，織物的溫度高達158.5 ℃(干燥狀態)，導致其蒸發速率可達9.1 kg m^-2 h^-1且長時間蒸發不析鹽。通過實驗和COMSOL模擬結果證明，由于熱虹吸效應，織物表面的溫度越高，水流速度越快，能及時帶走鹵水或鹽分，實現高速率蒸發海水不析鹽。

該工作是團隊近期關于光熱-電熱材料用于全天候海水淡化的最新研究進展之一。面對光熱材料在弱光條件下的無效蒸發和電熱材料在通電條件下會導致電能損失和電解水產生氫氣等問題，該團隊發展了仿生設計的光熱-電熱織物用于全天候海水蒸發，提高了織物的光吸收和光熱轉換性能，且有效地抑制了通電過程中的水電解現象。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202423472

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（責任編輯：xu）

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