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本研究开发了一种基于三维编织间隔织物（SF）的双Janus结构太阳能蒸发器（HCNT-SF-SA），通过电吸附 flocking 技术在 SF 表面构建 Janus 结构，上层为亲水光热层（含碳纳米管增强光吸收）和下层为疏水自浮层，结合海藻酸钠气凝胶形成独立水输运通道，实现高效海水淡化，在1kW/m2光照下蒸发率达2.15 kg/m2·h，91.95%的能效，且连续运行9小时无盐结晶，具有环境适应性和可降解性。
何婉婉|于凌杰|孟家光|陈凯丽|牛宁|王永振|刘亚明|孙兆玲|赵志
西安理工大学纺织科学与工程学院，中国陕西省西安市710048
摘要
界面太阳能蒸发是一种有效的海水淡化方法，然而开发具有集成光吸收、热管理、定向水传输、抗盐性和自浮功能的基于织物的界面太阳能蒸发器（ISEs）仍然具有挑战性。在这项研究中，通过3D编织制备了一种经编间隔织物（SF），并分别通过静电植绒和疏水处理在其上层/下层构建了Janus结构（上层：光收集、抗盐、防污；下层：自浮）。此外，利用SF间隔纤维的Z轴结构，加载了海藻酸钠（SA）气凝胶以形成独立的定向水传输通道，最终得到了一种新型的双Janus界面太阳能蒸发器（HCNT-SF-SA）。其独特的结构赋予了优异的性能：在1 kW m?2的功率下，光吸收率为98.43%，蒸发速率为2.15 kg m?2·h?1；在0.5 kW m?2的功率下（低光照条件下），蒸发速率为3.67 kg m?2·h?1，并且在1 m/s的风速下连续运行9小时后没有盐沉淀。工业化的编织工艺使其能够大规模生产并易于使用，为设计高效、便捷的太阳能蒸发器提供了创新思路。
引言
全球范围内，由于气候变化、人口增长和快速城市化，淡水短缺问题日益严重，因此高效和可持续的淡水生产已成为重要的研究方向（Joo等人，2025年）。海水占地球总水资源的约97%，而海水淡化是一种有效的缓解淡水短缺的策略（Li等人，2024a）。当前主流的海水淡化技术，包括反渗透、多级闪蒸和多效蒸馏，通常能耗高且可能产生有害副产品，这严重限制了它们的大规模可持续应用（Yan等人，2022年；Wang等人，2025年）。相比之下，太阳能驱动的海水淡化技术因其绿色和可持续性而受到广泛关注（Shu等人，2025年）。界面太阳能蒸发器（ISEs）能够实现局部加热、减少热损失，并具有高达90%的太阳能利用率，显示出巨大的应用潜力（Ma等人，2023b；Cui等人，2026年）。基于织物的ISEs特别有前景，因为它们原材料丰富、成本低廉、比表面积大、结构可调且柔韧性好。同时，成熟的纺织制造技术支持多种应用场景和工业规模扩展。值得注意的是，基于织物的3D ISEs具有额外的优势：它们的空间结构增加了与周围环境的接触，从而能够进一步收集环境能量，进一步提高蒸发率和能源效率（Ying等人，2025年）。然而，现有的基于织物的蒸发器仍面临关键限制：传统结构难以同时实现高光吸收、定向水传输和低热损失；润湿性控制不足会导致长期运行时盐结晶和通道堵塞；许多设备依赖于复杂的修改或昂贵的材料，限制了可扩展性；此外，在环境适应性和操作便利性方面也存在挑战（Wang等人，2024年；Zhang等人，2025年；Yang等人，2025a；Qi等人，2025年；Yu等人，2025年）。
光热转换材料的选择对ISEs的光吸收能力有很大影响。其中，碳纳米管（CNTs）因具有超高的全太阳光谱吸收率而被广泛用于光热应用，能够高效地将入射太阳光转化为热能（Xue等人，2024年）。此外，CNTs还具有稳定的物理化学性质和优异的热稳定性，使其在能量收集、光电子学、生物电子学和光热应用领域得到广泛应用（Zhou等人，2009年；Huang等人，2011年；Zhao等人，2013年）。研究表明，粗糙表面比光滑平面表面在光吸收方面表现更好：入射光在粗糙表面上会发生多次反射和散射，从而提高光收集效率（Liu等人，2025年；Gao等人，2024a；Li等人，2025年）。因此，合理选择材料并结合巧妙的粗糙表面设计是提高界面太阳能蒸发器光吸收能力的有效方法。
在海水淡化过程中，盐晶体在ISEs表面的沉积会直接降低其蒸发效率（Li等人，2023a）。相关研究表明，Janus结构的蒸发器利用了独特的亲水-疏水特性：海水被输送到亲水蒸发层进行蒸发，而疏水层则阻止了水分渗透到光热层，有效抑制了盐结晶（Su等人，2023年；Yang等人，2023a，2025b）。此外，高效的水供应对ISEs的性能至关重要，而供水不足会抑制蒸发效率（Ma等人，2023a）。海藻酸钠作为一种常用的水传输材料，可以快速与无机钙离子交联，这一过程比化学交联的凝胶更快且更环保。此外，海藻酸钠中的多个亲水基团可以有效降低蒸发焓并提高能源效率（Liu等人，2021年）。文献表明，垂直的水传输通道可以实现定向、高效的水传输（Zhu等人，2025a；Su等人，2025年）。它们的核心优势是通过垂直通道最小化液体传输阻力，从而实现从水体到蒸发界面的高效水传输，并确保蒸发过程中的持续充足供水。此外，由于存在定向水传输通道，蒸发器能够有效捕获静止空气，从而降低整体热导率。多项研究表明，巧妙的结构设计可以进一步降低ISEs的整体热导率，将热量集中在蒸发界面，减少向水体的热传导（Ding等人，2025年；Jiao等人，2025年）。除了上述因素外，非自浮式ISEs还有两个固有的缺点：首先，与下方冷水的广泛直接接触会部分消耗捕获的太阳能（无法用于蒸发），降低效率；其次，对外部固定装置的依赖增加了系统的复杂性，妨碍了实际应用（例如，安装不便、维护成本高）。此外，ISEs在实际应用中容易受到光照强度变化的影响，低光照强度会显著影响其蒸发性能（Zhao等人，2020年）。
总之，尽管在改进基于织物的ISEs方面做出了大量努力，但开发出具有高光吸收、优异热管理、定向水传输、良好抗盐性和易用性的集成型ISEs仍然具有挑战性。为了解决这些问题，本研究设计了一种基于经编间隔织物（SF）的双Janus结构蒸发器（HCNT-SF-SA），其制备过程和结构如图1所示。SF间隔纱线作为定向骨架嵌入到CaCl2交联的冻干海藻酸钠（SA）气凝胶柱中，形成独立的定向水传输通道。这些通道实现了快速、定向的水供应，而它们之间的空气层则阻断了热量向下方水体的传导，确保了优异的热管理。疏水碳纳米管（HCNT）通过PDMS改性制备，并通过静电植绒牢固地负载在SF的上表面。植绒形成的微纳结构增强了光捕获能力，实现了高效的全谱吸收。更重要的是，亲水的上层织物和疏水的光热层形成了顶部的Janus结构，实现了定向水传输到蒸发界面，防止水分渗透，从而抑制了盐沉淀，提高了长期抗盐性。在SF的下表面涂覆了疏水处理剂，在疏水底层和亲水气凝胶通道的界面形成了局部的底部Janus结构，确保了持续的水供应，实现了自浮性能，减少了热损失，并提高了实际应用性。凭借合理的设计和材料选择，HCNT-SF-SA适用于海水淡化、重金属离子去除和染料废水净化，展现了良好的多功能性。值得注意的是，其中空多孔结构在外部风的作用下具有独特优势：气流加速了蒸汽扩散，降低了表面温度，收集了更多环境热量，并排除了高湿度空气，促进了蒸汽的快速释放。因此，即使在弱光条件下，风也能显著提高其蒸发性能，扩展了其在自然风和低光照环境中的应用潜力。在本研究的制备过程中没有使用任何有毒或有害试剂，SA气凝胶和SF都是可降解/可回收的材料。设备废弃后，SA作为一种天然线性多糖，可以自然降解（Liu等人，2021年；Depope等人，2025年）。
材料
SF的上下表面均为链式编织和纬线交织结构。聚酯单丝和多丝作为前体材料，前者作为间隔纤维，后者作为表面纱线。关于SF的制备过程和结构规格的详细信息总结在表S1–S2中。NaCl和CaCl2购自天津大茂化学试剂厂。CNT和SA购自上海麦克莱恩
微观结构表征和化学结构
HCNT-SF-SA的物理外观如图2(a)所示。SA气凝胶构建的定向水传输通道连接了SF的上下表面；这些通道之间的静止空气阻碍了热量从光热层向水体的传递，提高了蒸发效率。图2(b)显示了HCNT-SF-SA的光热层截面：SF的上表面覆盖着SA气凝胶，这些气凝胶储存水分用于蒸发，并含有丰富的氢键以减少蒸发
结论
在这项工作中，我们创新性地利用了间隔织物的独特三维支撑结构，设计并构建了一种高效的双Janus结构界面太阳能蒸发器（HCNT-SF-SA）。其核心创新和关键结果如下：首先，双Janus设计精确地将水传输层与光热层分离，从根本上避免了光热层与海水的直接接触，显著抑制了盐的结晶
CRediT作者贡献声明
何婉婉：撰写——原始草稿、正式分析、数据管理。于凌杰：撰写——审稿与编辑、方法学、正式分析、概念化。孟家光：方法学。陈凯丽：验证。牛宁：验证。王永振：方法学。刘亚明：方法学。孙兆玲：项目管理。赵志：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52473079、62201441）、陕西省重点研发计划（2025CY-YBXM-045、2023-YBGY-490）、纺织愿景基础研究计划（J202405）、陕西省教育厅资助的科学研究计划（23JP054）、陕西省创新能力支持计划（2022KJXX-40）、陕西省科学技术协会青年人才基金（20230139）、西安市青年人才基金的支持
