东华大学陈志钢教授团队 AFM: 仿生设计碳纤维/二氧化钛@聚吡咯光热-电热织物用于全天候海水蒸发

2025-02-15 来源：高分子科技

光热/电热驱动的海水蒸发是一种有效缓解淡水危机的策略，但其实际应用受限于不理想的光吸收和严重的水电解。受到天堂鸟黑色羽毛结构和电热水壶加热模块的启发，仿生设计以碳纤维(CF)为核和二氧化钛/聚吡咯(TiO₂/PPy)纳米阵列为壳的光热/电热织物，促使太阳光的多次反射/吸收，有效地抑制电热过程中水的电解，提升光热-电热转换性能，并降低能源浪费和安全风险。因此，由碳-芯/纳米棒阵列-壳纤维构成的光热-电热织物有重要意义。

图1 光热-电热织物的仿生设计与制备

近期，东华大学陈志钢教授团队仿生设计了由碳-芯/纳米棒阵列-壳纤维构成的光热-电热织物，用于高效全天候海水蒸发。众所周知，天堂鸟具有超黑的羽毛，光吸收率高达99.99%，起源于分等级结构带来的陷光效应(图1 a)。另外，电热水壶能通过电热效应加热水，但是不会电解水，起源于加热模块的导电核-绝缘壳层结构(图1 b)。受到天堂鸟羽毛和电热水壶的启发，设计和制备了一种具有陷光结构且抗电解水的光热-电热织物用于全天候海水蒸发(图1 c)。该织物以高导电性的碳纤维(CF)作为核，通过水热和化学聚合两步法在其表面生长二氧化钛@聚吡咯(TiO₂/PPy)纳米阵列涂层(图1 d)。该织物兼具了天堂鸟超黑羽毛和电热水壶加热模块的优势，集成了多级太阳光吸收和抗电解水的功能，提高了太阳光和电能的利用，实现了高效的光热-电热蒸发性能，为全天候海水淡化提供了新途径。

相关成果以“Biomimetic Design of Photothermal/Electrothermal Fabric Composed of Carbon-Core/Nanorod-Array-Shell Fibers for Efficient All-Weather Seawater Evaporation”为题发表在《Advanced Functional Materials》上(Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2423472)。文章第一作者是东华大学博士生李小龙，通讯作者为东华大学陈志钢教授和张丽莎教授，朱美芳院士提供了重要指导。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

图2 光热-电热织物的光吸收与光热转换

实验和模拟结果证明，类似于天堂鸟羽毛的阵列结构设计赋予了CF/TiO₂/PPy织物优异的光吸收能力和光热转换性能(图2)。将CF/TiO₂/PPy织物构筑成悬挂式蒸发器，在太阳光照(1 kw m^-2)下，其蒸发速率达2.2 kg m^-2 h^-1。

图3 光热-电热织物的电化学测试与电热转换

CF/TiO₂/PPy织物能有效地抑制水的电解，并展现优异的电热转换性能(图3)。由于TiO₂-壳的屏蔽作用，CF/TiO₂/PPy织物能有抑制电子进入水体，减少织物表面气泡的生成。此外，得益于碳纤维的高导电性和TiO₂-壳的有效传热，CF/TiO₂/PPy织物实现了高效的电热蒸发海水，在3 V电压下，其蒸发速率达7.9 kg m^-2 h^-1，优于目前大多数电热蒸发材料。

图4织物的光热/电热蒸发与数值模拟

CF/TiO₂/PPy织物具有优异的光热-电热转换性能和蒸发性能(图4)。在3 V电压和一个太阳(1 kw m^-2)共同作用下，织物的温度高达158.5 ℃(干燥状态)，导致其蒸发速率可达9.1 kg m^-2 h^-1且长时间蒸发不析盐。通过实验和COMSOL模拟结果证明，由于热虹吸效应，织物表面的温度越高，水流速度越快，能及时带走卤水或盐分，实现高速率蒸发海水不析盐。

该工作是团队近期关于光热-电热材料用于全天候海水淡化的最新研究进展之一。面对光热材料在弱光条件下的无效蒸发和电热材料在通电条件下会导致电能损失和电解水产生氢气等问题，该团队发展了仿生设计的光热-电热织物用于全天候海水蒸发，提高了织物的光吸收和光热转换性能，且有效地抑制了通电过程中的水电解现象。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202423472

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（责任编辑：xu）

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