太阳能海水淡化已成为缓解淡水危机的绿色策略，高效持续地蒸发海水是其应用关键。近日，东华大学先进纤维材料全国重点实验室、材料科学与工程学院的研究团队设计了一种仿生光热织物。研究团队以单根聚酯（PET）纤维为原料，通过编织技术将其制成二维织物，并赋予三层结构，促进织物四面同时蒸发，仿佛植物叶片的蒸腾作用，剩余海水浓缩为卤水从织物底部滴落，避免盐结晶，实现了高效持续蒸发。这一研究成果为2D柔性光热膜的大规模设计和太阳能驱动海水淡化工业化应用开辟了新视角，助力全球淡水资源危机的可持续解决。
相关研究成果以《可呼吸三层结构二维光热织物的仿生设计及其用于海水高效四面蒸发》（Biomimetic Design of Breathable 2D Photothermal Fabric with Three-Layered Structure for Efficient Four-Plane Evaporation of Seawater）为题发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。东华大学先进纤维材料全国重点实验室、材料科学与工程学院博士生胡金晶为第一作者，陈志钢研究员为通讯作者；该研究也得到了清华大学危岩教授的指导和支持。
（图1：研究思路技术概要图）
太阳能海水淡化的核心是光热材料和蒸发装置。现有光热材料主要包括三维结构材料和二维膜。三维材料具有光吸收强、蒸发面积大、效率高等特性，但存在结构复杂、柔性差、表面易析盐等问题（图1a）。二维光热膜具有低成本、柔性可携带、可规模化制备等优势，但也存在蒸发面积受限、效率低等问题（图1b），限制了实际应用。
自然界植物以细胞为原料，构筑了二维树叶，树叶具有典型的三层结构，表面还分布着气孔。树叶光合作用过程中，水通过中间层输送至气孔附近，转化为蒸汽后通过气孔高效扩散到空气中。受树叶结构和蒸腾作用启发（图1c），东华大学研究团队以商用聚酯（PET）单根纤维为原料，通过编织技术构筑了二维PET织物，呈现出典型的三层结构（上层织物、下层织物、上下层间短纤维柱状带来的空气层）。随后，利用碳/高分子水凝胶对织物进行表面修饰，并通过激光在织物顶层雕刻气孔阵列，最终获得类树叶结构的光热织物（CPP-H）（图1d, 2a）。
（图2：三层光热织物制备过程及相关性能表征）
实验结果显示，CPP-H织物的太阳光吸收率显著提升至96.1%，展现出低热损失和优异的光热转换性能（图2），为高效太阳能海水蒸发提供了理想的光热平台。此外，织物表面富含极性官能团，可通过氢键和静电相互作用调控表面水分子状态，从而显著降低水分子“逃逸”所需能量，进一步降低蒸发焓和提升蒸发效率。
（图3：向光斜挂蒸发器及四平面蒸发性能）
随后，将CPP-H织物斜挂在高海水槽和低空槽之间，组装成向光斜挂蒸发器。高水槽的海水会渗透织物边缘，沿着斜挂织物的底层和顶层流动，实现了从高海水槽向低空槽的海水传输。阳光照射下，织物吸收太阳光并将其转化为热，促使海水在顶层的上表面（平面I）、顶层的下表面（平面II）、底层的上表面（平面III）和底层的下表面（平面IV）四个平面同步蒸发（图1d, 图3）。其中，外平面（I和IV）的蒸汽可直接扩散至大气中，而内平面（II和III）的蒸汽则沿中间层传输，并通过顶层孔阵列扩散至外部环境。CPP-H织物的蒸发模式模拟了植物叶片的蒸腾过程。蒸发后剩余的海水被浓缩为盐水，并滴落至低空收集槽，从而有效避免蒸发器内部盐结晶积累。实验结果表明，该三层光热织物在1.0 kW m-2光照下蒸发速率可达2.6 kg m-2h-1，性能优于基于类似材料的传统漂浮模型（单平面蒸发，1.6 kg m-2h-1）、单层织物悬挂模型（双平面蒸发，1.9 kg m-2h-1）或三层织物（四平面蒸发无蒸汽通道，2.2 kg m-2h-1）（图3）。
（图4：仿树叶气孔的蒸汽扩散行为）
研究团队模拟了CPP-H织物中蒸汽的生成及其通过顶层孔阵列扩散的过程（图4）。为直观展现孔阵列的增量效应，蒸汽扩散路径被可视化，并通过颜色深浅映射蒸汽浓度分布。结果显示，平面II和III的有效蒸发作用使中间层的蒸汽摩尔浓度迅速上升，随后蒸汽通过顶层孔阵列自发扩散至蒸汽浓度较低的外部环境。
未来，团队将深入探索光热织物的组分、微纳结构等对光吸收、光热转换、蒸发过程的影响规律，进一步优化蒸发速度并降低淡水生产成本，旨在为太阳能海水淡化走向产业化奠定基础，助力构建淡水供给绿色体系。
论文原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202420482
