新加坡国立大学陈瑞深AM：仿生结构实现全天候水-盐-电联产，助力可持续资源回收

随着全球水、能源和环境可持续性挑战日益严峻，高效利用海水和废水等多样化水源成为迫切需求。太阳能驱动界面蒸发技术作为一种低碳策略，近年来从提升蒸发性能向多功能应用拓展，但仍面临户外蒸发性能不稳定、依赖持续光照，以及回收产品（如淡水和盐）可能受微塑料、持久性有机污染物等污染的关键瓶颈。这些因素严重制约了该技术的大规模实际应用。

近日，新加坡国立大学陈瑞深研究团队提出了一种受盐肤木启发的垂直分层结构（RVHS），实现了太阳能驱动的全天候淡水、清洁盐和自生电力的协同收集。该结构通过巧妙整合相变材料与储热设计，在白天的产水率高达5.07 kg m⁻²，夜间达2.04 kg m⁻²，分别比传统装置提升约1.2倍和1.8倍；同时，其盐回收量达2.24 kg m⁻²，且所获盐品无微塑料、持久性有机物等污染物检出。此外，优化后的盐浓度梯度还可用于高效发电，其功率输出比传统装置提高约60%。相关论文以“Rhus Chinensis - Inspired Vertical Hierarchical Structure for Solar - Driven All - Weather Co - Harvesting of Fresh Water, Clean Salts, and Authigenic Electricity”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队从耐寒耐盐的盐肤木中获得灵感，设计了具有相变层和光吸收层的RVHS结构。如图1所示，盐肤木中的热滞后蛋白可存储并释放热量以应对夜间寒冷，其盐腺则能选择性泵送离子并拦截污染物，同时通过太阳能驱动结晶过程排出余盐并产生生物电。RVHS模拟了这一机制：相变层类似热滞后蛋白，实现全天候蒸发；而基于浒苔衍生活性生物炭的吸收层则充当污染物捕获陷阱，结合单向流动设计，确保盐结晶纯净，并同步产生水电和盐扩散电。

图1. RVHS的设计灵感与工作机制 a) 盐肤木的图示照片；b) I – 盐肤木中用于耐寒的热滞后蛋白；II – 盐肤木中具有高选择性离子泵的盐腺，用于耐盐；c) RVHS的结构示意图；d) RVHS的运行机制。I – RVHS中的储热与释热机制；II – RVHS中的发电机制；III 和 IV – RVHS中的污染物拦截机制。

图2展示了RVHS的制备过程与关键特性。研究者通过原位涂覆法将掺杂浒苔生物炭的PVA-PA凝胶负载于无纺布上，该凝胶具备94%的太阳光吸收率、超亲水性及仅约1.67 MJ kg⁻¹的低蒸发焓，分子动力学模拟显示其能有效削弱水分子间氢键，促进水蒸发。相变层采用石蜡填充碳纤维，其导热系数提升150倍，且通过锡箔封装防泄漏。表面Zeta电位全程为负值，显示出高效电荷分离与水电发电潜力。

图2. RVHS的制备与表征 a) PVA-PA凝胶的制备过程；b) PVA-PA凝胶的光吸收性能；c) PVA-PA凝胶中水的DSC曲线；d) 纯水与PVA-PA凝胶表面水分子的扩散；e) 不同相变热下RVHS的理论最大蒸发量；f) 石蜡与碳毡复合材料的DSC曲线；g) 不同pH下PVA-PA凝胶的Zeta电位。

在热管理方面，RVHS表现出卓越的全天候产水能力（图3）。在1太阳光强下，其蒸发速率达2.01 kg m⁻² h⁻¹，为纯水的5.4倍。光照停止后，因相变层释放潜热，RVHS表面温度下降更缓，蒸发速率在10分钟内仍保持1.21 kg m⁻² h⁻¹，显著高于传统蒸发器。户外实验中，RVHS日间产水量达5.07 kg m⁻²，夜间为2.04 kg m⁻²，所产冷凝水盐度降低3–4个数量级，各项指标符合饮用水标准，且未检出微塑料与持久性有机污染物。

图3. 太阳能驱动全天候蒸发性能 a) 水与RVHS在1太阳光下的质量变化曲线；b) 光照停止后TPE与RVHS的红外照片；c) 光照停止后TPE与RVHS的质量变化曲线；d) 不同暗时间后RVHS的蒸发速率（光照停止前为1太阳）；e) 不同太阳光强停止后，不同暗时间内RVHS的蒸发速率；f) 户外实验期间的天气条件；g) 户外实验前2小时内RVHS与TPE的数码照片；h) RVHS与TPE在白天和夜晚的产水速率；i) 原始海水与相应冷凝水的离子浓度。

在盐回收方面，RVHS集成污染物捕获陷阱，实现了清洁盐的提取（图4）。户外实验中，RVHS边缘在2天内即出现明显盐结晶，而传统装置几乎无结晶。在处理含铅模拟废水时，RVHS对Pb²⁺的拦截效率在浓度不超过0.5 g L⁻¹时超过98%。其机制在于PVA-PA凝胶中生物炭对重金属的高效吸附，以及单向流动结构与Marangoni效应协同形成的盐浓度梯度，驱使盐分在边缘优先结晶，而污染物被提前捕获。RVHS还对多种重金属与高盐废水展现出广泛适用性，四日户外实验平均产盐率达2.24 kg m⁻²，且结晶盐中未检出抗生素、POPs、MPs与重金属。

图4. 太阳能驱动全天候清洁盐提取性能 a) 户外实验中TPE与RVHS的数码照片；b) RVHS表面在处理含不同浓度PbCl₂的10 wt.% NaCl溶液时（I - 0.125, II - 0.25, III - 0.5, IV - 1.0 g L⁻¹）在不同处理时间下的数码照片；c) RVHS在处理含不同浓度PbCl₂的10 wt.% NaCl溶液时，所提取盐中Pb²⁺的拦截比率；d) RVHS-N与RVHS的模拟盐离子分布（I）和重金属离子分布（II）；e) RVHS生产无重金属盐的机制图；f) RVHS处理不同废水时的有效工作面积；g) RVHS所提取盐中不同污染物的拦截比率。（TC-四环素；OC-土霉素；PFOA-全氟辛酸；PFOS-全氟辛烷磺酸；PFBA-全氟丁酸；PS-聚苯乙烯；PMMA-聚甲基丙烯酸甲酯）

发电性能上，RVHS结合水电效应与盐扩散效应，实现全天候电力输出（图5）。随光强从0升至1.5太阳，其开路电压从0.18 V增至0.68 V，短路电流从2.8 µA升至15.6 µA。在间歇光照下，RVHS仍能维持较高电压输出。户外实验中，其最大输出功率比传统装置提升近60%，并可驱动LED灯或小型计算器。研究进一步量化了流场、浓度场和温度场对发电的贡献，在1太阳光下分别为21.0%、22.6%和56.4%。

图5. 太阳能驱动全天候发电性能 a) RVHS实现全天候发电的示意图；b) RVHS在纯水中不同太阳光强下的输出性能；c) RVHS在不同浓度NaCl溶液中在1太阳光下的输出性能；d) RVHS中两种发电效应的示意图；e) 不同因素对RVHS输出性能增强的贡献值；f) 不同太阳光强停止后，不同暗时间内RVHS的开路电压；g) 户外实验中RVHS与TPE的数码照片；h) RVHS与TPE的开路电压及RVHS的输出增益；i) 运行中的LED灯与小型计算器的数码照片。 图6. RVHS的视角与讨论 a) 所设计RVHS与其他已报道太阳能蒸发器在不同条件下（黑暗或1太阳光下）的蒸发速率；b) 所设计RVHS与先前报道太阳能蒸发器在提取盐时的污染物拦截比率；c) 由不同材料制成的RVHS与先前报道材料的开路电压与输出增益；d) 基于RVHS的废水处理途径及所获产品的利用方式。

总体而言，该研究不仅突破了传统太阳能蒸发器在连续运行与产物纯度方面的限制，更通过仿生设计实现了水、盐、电的三联产。RVHS结构模块化、被动运行、材料成本低，特别适用于离网沿海社区及高盐废水处理场景。未来，通过优化吸附剂选择与结构设计，RVHS有望在复杂水处理与资源循环中发挥更大作用，推动可持续资源回收迈向新高度。

来源：高分子科学前沿

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