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東華大學(xué)陳志鋼教授團(tuán)隊 AFM: 仿生設(shè)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(fā)

2025-02-15 來源：高分子科技

光熱/電熱驅(qū)動的海水蒸發(fā)是一種有效緩解淡水危機(jī)的策略，但其實際應(yīng)用受限于不理想的光吸收和嚴(yán)重的水電解。受到天堂鳥黑色羽毛結(jié)構(gòu)和電熱水壺加熱模塊的啟發(fā)，仿生設(shè)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(zhuǎn)換性能，并降低能源浪費和安全風(fēng)險。因此，由碳-芯/納米棒陣列-殼纖維構(gòu)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(shè)計與制備

近期，東華大學(xué)陳志鋼教授團(tuán)隊仿生設(shè)計了由碳-芯/納米棒陣列-殼纖維構(gòu)成的光熱-電熱織物，用于高效全天候海水蒸發(fā)。眾所周知，天堂鳥具有超黑的羽毛，光吸收率高達(dá)99.99%，起源于分等級結(jié)構(gòu)帶來的陷光效應(yīng)(圖1 a)。另外，電熱水壺能通過電熱效應(yīng)加熱水，但是不會電解水，起源于加熱模塊的導(dǎo)電核-絕緣殼層結(jié)構(gòu)(圖1 b)。受到天堂鳥羽毛和電熱水壺的啟發(fā)，設(shè)計和制備了一種具有陷光結(jié)構(gòu)且抗電解水的光熱-電熱織物用于全天候海水蒸發(fā)(圖1 c)。該織物以高導(dǎo)電性的碳纖維(CF)作為核，通過水熱和化學(xué)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(yōu)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(xiàn)了高效的光熱-電熱蒸發(fā)性能，為全天候海水淡化提供了新途徑。

相關(guān)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(fā)表在《Advanced Functional Materials》上(Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2423472)。文章第一作者是東華大學(xué)博士生李小龍，通訊作者為東華大學(xué)陳志鋼教授和張麗莎教授，朱美芳院士提供了重要指導(dǎo)。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。

圖2 光熱-電熱織物的光吸收與光熱轉(zhuǎn)換

實驗和模擬結(jié)果證明，類似于天堂鳥羽毛的陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計賦予了CF/TiO₂/PPy織物優(yōu)異的光吸收能力和光熱轉(zhuǎn)換性能(圖2)。將CF/TiO₂/PPy織物構(gòu)筑成懸掛式蒸發(fā)器，在太陽光照(1 kw m^-2)下，其蒸發(fā)速率達(dá)2.2 kg m^-2 h^-1。

圖3 光熱-電熱織物的電化學(xué)測試與電熱轉(zhuǎn)換

CF/TiO₂/PPy織物能有效地抑制水的電解，并展現(xiàn)優(yōu)異的電熱轉(zhuǎn)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(jìn)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(dǎo)電性和TiO₂-殼的有效傳熱，CF/TiO₂/PPy織物實現(xiàn)了高效的電熱蒸發(fā)海水，在3 V電壓下，其蒸發(fā)速率達(dá)7.9 kg m^-2 h^-1，優(yōu)于目前大多數(shù)電熱蒸發(fā)材料。

圖4織物的光熱/電熱蒸發(fā)與數(shù)值模擬

CF/TiO₂/PPy織物具有優(yōu)異的光熱-電熱轉(zhuǎn)換性能和蒸發(fā)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(dá)158.5 ℃(干燥狀態(tài))，導(dǎo)致其蒸發(fā)速率可達(dá)9.1 kg m^-2 h^-1且長時間蒸發(fā)不析鹽。通過實驗和COMSOL模擬結(jié)果證明，由于熱虹吸效應(yīng)，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(xiàn)高速率蒸發(fā)海水不析鹽。

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

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

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（責(zé)任編輯：xu）

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