基于海藻酸钠的仿生裂纹网络Janus泡沫蒸发器：用于高效太阳能海水淡化、废水处理及热电发电

《Carbohydrate Polymers》：Sodium alginate-based biomimetic crack-network Janus foam evaporator toward robust solar desalination, wastewater purification, and thermoelectric power generation

基于仿变色龙皮肤裂纹网络结构的3D-JRSMP蒸发器，采用再生碳纤维与海藻酸钠水凝胶复合构建，通过Ca2?交联形成分级裂纹网络提升水分运输与光吸收，并利用聚二甲基硅氧烷顶涂层实现亲水/疏水双面界面，有效抑制盐分积累，蒸发率达4.98 kg·m?2·h?1，太阳能转气效率97.29%，在20 wt%溴化物中稳定运行20次，并实现重金属、染料和抗生素污染水的净化。

　　

王欣|崔晓文|孙晓|王一成|王婷|吴婷辉|吴皓月|王文汉|陶俊义|杨永奇|刘梦珠|王永鹏|陈哲|贾涛

吉林化工技术大学材料科学与工程学院，中国吉林省吉林市，132022

摘要

太阳能驱动的界面蒸发技术在可持续淡水生产方面具有巨大潜力，但面临盐分积累和能量损失等挑战。受变色龙皮肤裂纹网络的启发，我们开发了一种具有工程化微裂纹的三维Janus泡沫蒸发器（3D-JRSMP）。该蒸发器通过将回收的碳纤维固定在三聚氰胺泡沫骨架中，并与海藻酸钠（SA）水凝胶结合而成。Ca²⁺交联的SA形成了层次化的裂纹网络，从而增强了水的传输能力和光吸收效率。顶部的聚二甲基硅氧烷涂层形成了超疏水/超亲水的Janus界面，实现了高效的热量集中和盐分排斥。关键在于，SA水凝胶有助于形成“中间水”，显著降低了蒸发焓。在1太阳辐照下，该蒸发器的蒸发速率为4.98 ± 0.12 kg m^?2 h^?1，太阳能到蒸汽的转化效率为97.29 ± 0.03%。在20%盐度下，该蒸发器可稳定运行20个循环，并能有效净化含有重金属、染料和抗生素的水。通过利用蒸发引起的温度梯度，集成的热电系统可产生305.1 ± 4.6 mW m^?2的电能。在户外条件下，10小时内可生产29.8 ± 0.4 kg m^?2的淡水。这项工作提出了一个可扩展的平台，结合了仿生设计、回收材料以及多糖辅助的低焓蒸发技术，用于实现水和能量的综合回收。

引言

工业化的加速发展以及对传统化石燃料的过度依赖，导致了全球淡水短缺和能源安全两大危机（Zong等人，2025年）。预计到2025年，全球近三分之二的人口将面临清洁水短缺的问题，这威胁到可持续发展的进程（Zhu等人，2026年）。为此，多种海水淡化技术（包括多级闪蒸（MSF）、多效蒸馏（MED）、反渗透（RO）和电渗析（ED）已被广泛采用以缓解淡水危机（Sun等人，2024年；Wang等人，2025年）。然而，这些传统方法仍然严重依赖化石燃料，导致大量碳排放，进一步加剧了气候变化（Liu等人，2025年；Nie等人，2025年；Qi等人，2025年）。因此，开发高效、可持续且可扩展的淡水生产技术已成为全球紧迫的优先事项（Jiang等人，2024年）。太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）作为一种有前景的解决方案，通过利用阳光直接在液-气界面产生蒸汽，从而最小化了向水体传递的寄生热量（Tao等人，2018年）。这种策略具有理论效率高、结构简单以及仅依赖丰富太阳能运行的优势。然而，SDIE的实际应用面临三个相互关联的挑战：（i）需要具有宽光谱吸收、高转换效率和在复杂水环境中长期稳定性的光热材料（Wang等人，2025年）；（ii）蒸发界面不可避免地向环境和水体散热，限制了可实现的蒸发速率（C. Wang等人，2023年；Wang等人，2025年）；（iii）活性界面处盐分和污染物的持续积累，这会阻碍光吸收、阻碍水传输并导致性能不可逆的下降（Cui等人，2026年；Jia等人，2026年）。 大量研究致力于通过材料创新和结构设计来应对这些挑战。基于碳的材料，包括石墨烯、碳纳米管和生物炭，因其优异的光热性能而受到广泛研究（Feng等人，2024年；Wang等人，2025年；Wang等人，2025年；Wei等人，2025年；Wu等人，2025年）。然而，原始碳材料的高成本及其在高盐度盐水中的易污染性仍然是主要瓶颈（Yu等人，2025年；M. Zhang等人，2025年）。在这种情况下，回收碳纤维（RCF）提供了一个有吸引力的替代方案，通过将复合废物升级为高价值的光热组件（X. Wang等人，2026年）。同时，结构工程，特别是三维（3D）和Janus架构的设计，在增强水传输、从环境中获取额外能量以及通过不对称润湿性减少盐分积累方面被证明是有效的（Zhou等人，2023年）。Janus蒸发器具有亲水的底部用于供水和疏水的顶部用于蒸汽释放，可以通过对流流动实现自发的盐分排斥，从而提高运行稳定性（Qiao等人，2024年）。最近在Janus结构太阳能蒸发器方面的进展表明，在同时脱盐和抗盐方面取得了进展（Nie等人，2025年）。例如，Yang等人设计了一种受榴莲皮启发的金字塔形阵列Janus水凝胶蒸发器，通过增强光捕获实现了3.54 kg m^?2 h^?1的蒸发速率（G. Yang等人，2025年）。类似地，Liu等人开发了一种大孔聚电解质Janus水凝胶，结合了钠聚丙烯酸酯网络和疏水顶层，实现了3.62 kg m^?2 h^?1的高蒸发速率，并在8小时内持续排斥盐分（Liu等人，2025年）。此外，Ma等人报道了一种用MXene装饰的Janus木质蒸发器，实现了2.39 kg m^?2 h^?1的蒸发速率，同时实现了低级别的热电回收（Ma等人，2025年）。尽管取得了这些进展，但在恶劣条件下实现高蒸发速率、强盐分排斥和长期耐久性的协同整合仍然具有挑战性。大多数报道的设计缺乏在变化的操作条件下动态调节微观尺度上水供应和热分布的机制。自然界为这种调节挑战提供了优雅的解决方案。受变色龙皮肤裂纹网络的启发——这些裂纹网络可以动态调节水分和热交换以实现体温调节和适应——我们假设将仿生裂纹网络引入光热基质中可以创建自适应的毛细通道（Wang等人，2025年）。这些通道可以在高盐度下确保持续的水供应，而裂纹引起的表面积增加可以增强光吸收和局部加热（Hu等人，2025年）。 在这里，我们旨在开发一种基于海藻酸钠（SA）的、受变色龙皮肤启发的3D Janus泡沫蒸发器，该蒸发器协同整合了：（i）来自废物的RCF以实现可持续的光热转换；（ii）Ca²⁺交联的SA水凝胶，通过中间水结构促进低焓蒸发；（iii）仿生裂纹网络架构，以实现强大的毛细作用、结构韧性和自发的盐分排斥。我们假设，由于其丰富的亲水基团（-COO^?和-OH），SA水凝胶可以有效地干扰水分子的氢键网络，形成“中间水”，从而显著降低蒸发焓，并本质上增强太阳能蒸发器内的蒸发动力学。该设计旨在克服蒸发速率、抗污染耐久性和材料可持续性之间的权衡，建立一个可扩展的平台，用于太阳能驱动的淡化、废水处理和同时的热电能量回收。

材料

三聚氰胺泡沫（MF）由Langcui Acoustic Insulation New Material Sponge Factory（中国）提供。可膨胀聚乙烯（EPE）泡沫的体积密度约为20–30 kg/m³，由上海Wangbang Packaging Materials Co., Ltd.（中国）提供。海藻酸钠（SA，分析级，CAS编号9005-38-3；分子量Mw = 86,537 g mol^?1；甘露糖酸/古拉糖酸（M/G）比例约为1:1；在20°C下1 wt%水溶液的粘度为200 ± 20 mPa·s；干燥损失≤15%）从上海获得。

3D-JRSMP太阳能蒸发器的制备与表征

我们蒸发器的合理设计灵感来源于变色龙皮肤中观察到的复杂裂纹网络，这些裂纹网络在其动态体温调节和变色能力中起着关键作用。如图1a所示，变色龙的皮肤具有位于特殊色素细胞内的鸟嘌呤纳米晶体晶格。这种晶格的受控膨胀或收缩通常由下层的微裂纹或通道结构引导，从而调节光反射。

结论

我们开发了一种受生物启发的、基于海藻酸钠的Janus泡沫蒸发器（3D-JRSMP），该蒸发器模仿了变色龙皮肤的裂纹网络结构。通过Ca²⁺交联和回收碳纤维/三聚氰胺泡沫复合材料的控制干燥制成，它集成了超疏水（PDMS涂层）和超亲水表面以及层次化的裂纹网络。这种仿生裂纹网络是其高性能的核心，协同作用以实现高效的水传输和能量转换。

CRediT作者贡献声明

王欣：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、研究。 崔晓文：研究。 孙晓：研究。 王一成：研究。 王婷：研究。 吴婷辉：研究。 吴皓月：研究。 王文汉：研究。 陶俊义：研究。 杨永奇：研究。 刘梦珠：资金获取、概念化。 王永鹏：监督、资源、方法论、资金获取、正式分析。 陈哲：撰写——

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22578159、22278172）、吉林省科技发展计划（YDZJ202401372ZYTS）、吉林省发展和改革委员会（2022C040）以及吉林省教育厅（JJKH20261290KJ）的支持。我们感谢JLUCT中心的技术支持以及Jie Chen教授在SEM表征方面的帮助。