东华大学廖耀祖教授、孟楠副研究员团队《自然·通讯》：仿生纤维膜，破解太阳能海水淡化盐积累难题

全球淡水资源短缺与能源危机因人口增长、工业化和气候变化日益严峻，太阳能驱动的海水淡化技术成为可持续解决方案。然而，传统二维膜材料面临盐积累的核心挑战——蒸发界面盐结晶会堵塞水道、降低光吸收效率，严重制约系统长期稳定性。现有抗盐策略（如亲疏水结构设计、多孔调控）效果有限，亟需创新材料突破瓶颈。

东华大学廖耀祖教授、孟楠副研究员团队受水通道蛋白（Aquaporins）启发，成功研发一种多孔两性离子纤维膜（PCP/PIL@PAN-M）。该材料通过选择性输水并排斥钠氯离子，实现高效太阳能蒸发与抗盐功能。结合卟啉基共轭微孔聚合物的光热转换和抗菌特性，在1 kW m⁻²光照下蒸发率达2.64 kg m⁻² h⁻¹，光热效率高达97.6%。耦合热电模块后，同步输出1.5 W m⁻²稳定电能，为水-能协同生产提供新路径。

仿生设计原理

研究团队模仿细胞膜水通道蛋白的离子选择性传输机制（图1），构建了兼具光热与抗盐功能的纤维膜。其多孔结构允许水分子快速通过，而两性离子聚离子液体（PIL）形成带电通道排斥Na⁺和Cl⁻，如同“生物离子筛”。卟啉单元（PCP）则赋予材料光热转化和单线态氧（¹O₂）抗菌能力，形成三重协同机制。

图1 光热两性离子纤维膜示意图 仿生细胞膜水通道蛋白功能设计的抗盐光热膜用于海水淡化。

材料合成与特性

通过静电纺丝与原位氧化聚合（图3a），将PCP与PIL均匀嵌入聚丙烯腈（PAN）纤维网络（图3f）。材料表面粗糙度增加（图3b-d），元素分布均匀（图3e），亲水性显著提升（接触角从67.2°降至42°，10秒完全浸润，图3g）。PCP的窄带隙（1.18 eV）和微孔结构（比表面积828 m² g⁻¹）实现92%光吸收率（图2g），10分钟内升温至83℃（图2h）；复合膜光吸收率进一步提升至95%（图3i），热稳定性优异（300℃失重仅3%，图3j）。

图2 PIL与PCP的合成及表征 a) PIL合成流程 b) PCP合成流程 c) PIL的¹H NMR谱图（400 MHz, 重水） d) PCP与CB（咔唑苯甲醛）的FTIR图谱 e) PCP的莫特-肖特基曲线 f) PCP的N₂吸附/脱附曲线（插图为NLDFT孔径分布） g) PCP在200-1400 nm波长范围内的吸光度（与AM1.5标准太阳光谱对比） h) 1 kW m⁻²光照下PCP表面温度变化曲线及最高温度图像

图3 光热两性离子纤维膜的制备与表征 a) PCP/PIL@PAN-M制备流程 b-d) PAN-M、PCP@PAN-M、PCP/PIL@PAN-M的SEM图像及直径分布（实验独立重复3次） e) PCP/PIL@PAN-M的元素分布图（C, N, O, S） f) PCP/PIL@PAN-M的TEM图像及横截面图 g) PCP/PIL@PAN-M与PAN-M的水接触角（实验独立重复3次） h) PCP/PIL@PAN-M的N₂吸附/脱附曲线（插图为孔径分布） i) PCP/PIL@PAN-M的紫外-可见光吸收率 j) 不同光热膜的热重分析（TGA）曲线

蒸发与抗盐性能

在模拟海水测试中（图4a），复合膜表面温度达55.7℃（图4d），蒸发率较纯PAN膜提升6倍（图4c）。关键突破在于20%高盐度下仍保持2.70 kg m⁻² h⁻¹蒸发率（图4f），且连续运行40小时无盐结晶（图4g）。机理研究表明（图5）：PIL通过破坏高盐梯度，促进离子对流扩散（红色箭头），使盐离子远离蒸发界面，而传统膜（PCP@PAN-M）仅依赖浓度梯度扩散（黑色箭头），易导致局部饱和结晶。

图4 光热两性离子纤维膜的蒸发性能与抗盐性 a) 光热蒸发测试装置及蒸发器示意图 b) 1 kW m⁻²光照30分钟下纤维膜表面温度曲线 c) 1 kW m⁻²光照1小时下蒸发质量曲线 d) 1 kW m⁻²光照1小时下蒸发过程表面温度曲线 e) 1 kW m⁻²光照30分钟的光热转换效率（n=3次独立实验，数据为均值±标准差） f) 高盐度下PCP/PIL@PAN-M的蒸发速率（n=3次独立实验，数据为均值±标准差） g) PCP/PIL@PAN-M连续40次循环的蒸发速率与光热效率

图5 抗盐机制分析 a) PCP@PAN-M 和 b) PCP/PIL@PAN-M在连续光照下蒸发表面的盐积累及盐传输路径。

分子机制与净化效能

分子动力学模拟（图6）揭示PIL降低系统蒸发焓：其削弱水分子氢键作用，增加中间水（IW）比例，使500 ps内蒸发水量提升3倍（图6c）。实际应用中，该膜对东海海水净化后金属离子浓度降低2-3个数量级（图7b），电导率从31.59 mS cm⁻¹降至33.63 μS cm⁻¹（图7d），有机染料（亚甲基蓝/罗丹明B）1小时内去除率>99.9%（图7c）。光照下产生的¹O₂（图7e）实现99-100%灭菌率（图7f），净化水成功支持植物生长（图7g）。

图6 水与（水+PIL）体系的蒸发过程分析 a,b) 分子动力学模拟（MDS）在0 ps和500 ps的界面蒸发快照 c) 500 ps内蒸发水分子数量统计 d) 500 ps内水分子间氢键数量统计 e) DSC测试的水蒸发温度 f) 红外光谱测定-OH峰位置 g,h) 拉曼光谱测定盐水（g）与PCP/PIL@PAN-M（h）中的水分子类型 i,j) 盐水（i）与PCP/PIL@PAN-M（j）中水分子类型示意图

图7 PCP/PIL@PAN-M的水净化与抗菌能力 a) 海水淡化前后的紫外-可见吸收光谱 b) 海水淡化前后的金属离子浓度 c) 有机染料（亚甲基蓝/罗丹明B）处理前后的紫外-可见吸收光谱及样品图像（Dyes：处理前；Dyes-I：处理后） d) 海水淡化前后的电导率 e) 电子顺磁共振（EPR）检测光照下光热膜产生的¹O₂强度 f) 光热膜的灭菌性能（Blank：空白对照组） g) 蒸发器收集的淡水用于豌豆苗栽培

热电联产与应用

集成热电模块（TEG）后（图8b），系统利用蒸发界面与水体间的温差发电。1 kW m⁻²光照下输出184 mV电压、10.56 mA电流（图8c），功率密度达1.5 W m⁻²（图8h）。存储的电能可驱动小型风扇及灯泡（图8i-j），2倍光照时电压升至300 mV（图8f），性能优于同类技术（图8k）。

图8 热电发电性能与应用 a) 基于塞贝克效应的热电发电原理 b) 蒸发-热电发电装置示意图 c) 1倍光照下热电联产系统的开路电压与短路电流 d,e) 5次循环的开路电压（d）与短路电流（e） f) 不同光强下PCP/PIL@PAN-M产生的开路电压 g,h) 1倍光照下系统的电流-电压曲线（g）与功率密度（h） i,j) 热电发电机驱动微型风扇（i）与灯泡（j） k) 与其他系统性能对比图

总结与展望

该研究通过仿生设计破解了太阳能海水淡化的盐积累难题，同步实现高效水净化、抗菌及发电功能。未来，这种“水-热-电”三位一体技术有望应用于复杂水域的离网供能系统，为可持续发展提供创新解决方案。

来源：高分子科学前沿

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