全球淡水資源短缺與能源危機因人口增長、工業化和氣候變化日益嚴峻，太陽能驅動的海水淡化技術成為可持續解決方案。然而，傳統二維膜材料面臨鹽積累的核心挑戰——蒸發界面鹽結晶會堵塞水道、降低光吸收效率，嚴重制約系統長期穩定性?，F有抗鹽策略（如親疏水結構設計、多孔調控）效果有限，亟需創新材料突破瓶頸。

東華大學廖耀祖教授、孟楠副研究員團隊受水通道蛋白（Aquaporins）啟發，成功研發一種多孔兩性離子纖維膜（PCP/PIL@PAN-M）。該材料通過選擇性輸水并排斥鈉氯離子，實現高效太陽能蒸發與抗鹽功能。結合卟啉基共軛微孔聚合物的光熱轉換和抗菌特性，在1 kW m?2光照下蒸發率達2.64 kg m?2 h?1，光熱效率高達97.6%。耦合熱電模塊后，同步輸出1.5 W m?2穩定電能，為水-能協同生產提供新路徑。

仿生設計原理

研究團隊模仿細胞膜水通道蛋白的離子選擇性傳輸機制（圖1），構建了兼具光熱與抗鹽功能的纖維膜。其多孔結構允許水分子快速通過，而兩性離子聚離子液體（PIL）形成帶電通道排斥Na?和Cl?，如同“生物離子篩”。卟啉單元（PCP）則賦予材料光熱轉化和單線態氧（1O?）抗菌能力，形成三重協同機制。

圖1 光熱兩性離子纖維膜示意圖 仿生細胞膜水通道蛋白功能設計的抗鹽光熱膜用于海水淡化。

材料合成與特性

通過靜電紡絲與原位氧化聚合（圖3a），將PCP與PIL均勻嵌入聚丙烯腈（PAN）纖維網絡（圖3f）。材料表面粗糙度增加（圖3b-d），元素分布均勻（圖3e），親水性顯著提升（接觸角從67.2°降至42°，10秒完全浸潤，圖3g）。PCP的窄帶隙（1.18 eV）和微孔結構（比表面積828 m2 g?1）實現92%光吸收率（圖2g），10分鐘內升溫至83℃（圖2h）；復合膜光吸收率進一步提升至95%（圖3i），熱穩定性優異（300℃失重僅3%，圖3j）。

圖2 PIL與PCP的合成及表征 a) PIL合成流程 b) PCP合成流程 c) PIL的1H NMR譜圖（400 MHz, 重水） d) PCP與CB（咔唑苯甲醛）的FTIR圖譜 e) PCP的莫特-肖特基曲線 f) PCP的N?吸附/脫附曲線（插圖為NLDFT孔徑分布） g) PCP在200-1400 nm波長范圍內的吸光度（與AM1.5標準太陽光譜對比） h) 1 kW m?2光照下PCP表面溫度變化曲線及最高溫度圖像

圖3 光熱兩性離子纖維膜的制備與表征 a) PCP/PIL@PAN-M制備流程 b-d) PAN-M、PCP@PAN-M、PCP/PIL@PAN-M的SEM圖像及直徑分布（實驗獨立重復3次） e) PCP/PIL@PAN-M的元素分布圖（C, N, O, S） f) PCP/PIL@PAN-M的TEM圖像及橫截面圖 g) PCP/PIL@PAN-M與PAN-M的水接觸角（實驗獨立重復3次） h) PCP/PIL@PAN-M的N?吸附/脫附曲線（插圖為孔徑分布） i) PCP/PIL@PAN-M的紫外-可見光吸收率 j) 不同光熱膜的熱重分析（TGA）曲線

蒸發與抗鹽性能

在模擬海水測試中（圖4a），復合膜表面溫度達55.7℃（圖4d），蒸發率較純PAN膜提升6倍（圖4c）。關鍵突破在于20%高鹽度下仍保持2.70 kg m?2 h?1蒸發率（圖4f），且連續運行40小時無鹽結晶（圖4g）。機理研究表明（圖5）：PIL通過破壞高鹽梯度，促進離子對流擴散（紅色箭頭），使鹽離子遠離蒸發界面，而傳統膜（PCP@PAN-M）僅依賴濃度梯度擴散（黑色箭頭），易導致局部飽和結晶。

圖4 光熱兩性離子纖維膜的蒸發性能與抗鹽性 a) 光熱蒸發測試裝置及蒸發器示意圖 b) 1 kW m?2光照30分鐘下纖維膜表面溫度曲線 c) 1 kW m?2光照1小時下蒸發質量曲線 d) 1 kW m?2光照1小時下蒸發過程表面溫度曲線 e) 1 kW m?2光照30分鐘的光熱轉換效率（n=3次獨立實驗，數據為均值±標準差） f) 高鹽度下PCP/PIL@PAN-M的蒸發速率（n=3次獨立實驗，數據為均值±標準差） g) PCP/PIL@PAN-M連續40次循環的蒸發速率與光熱效率

圖5 抗鹽機制分析 a) PCP@PAN-M 和 b) PCP/PIL@PAN-M在連續光照下蒸發表面的鹽積累及鹽傳輸路徑。

分子機制與凈化效能

分子動力學模擬（圖6）揭示PIL降低系統蒸發焓：其削弱水分子氫鍵作用，增加中間水（IW）比例，使500 ps內蒸發水量提升3倍（圖6c）。實際應用中，該膜對東海海水凈化后金屬離子濃度降低2-3個數量級（圖7b），電導率從31.59 mS cm?1降至33.63 μS cm?1（圖7d），有機染料（亞甲基藍/羅丹明B）1小時內去除率>99.9%（圖7c）。光照下產生的1O?（圖7e）實現99-100%滅菌率（圖7f），凈化水成功支持植物生長（圖7g）。

圖6 水與（水+PIL）體系的蒸發過程分析 a,b) 分子動力學模擬（MDS）在0 ps和500 ps的界面蒸發快照 c) 500 ps內蒸發水分子數量統計 d) 500 ps內水分子間氫鍵數量統計 e) DSC測試的水蒸發溫度 f) 紅外光譜測定-OH峰位置 g,h) 拉曼光譜測定鹽水（g）與PCP/PIL@PAN-M（h）中的水分子類型 i,j) 鹽水（i）與PCP/PIL@PAN-M（j）中水分子類型示意圖

圖7 PCP/PIL@PAN-M的水凈化與抗菌能力 a) 海水淡化前后的紫外-可見吸收光譜 b) 海水淡化前后的金屬離子濃度 c) 有機染料（亞甲基藍/羅丹明B）處理前后的紫外-可見吸收光譜及樣品圖像（Dyes：處理前；Dyes-I：處理后） d) 海水淡化前后的電導率 e) 電子順磁共振（EPR）檢測光照下光熱膜產生的1O?強度 f) 光熱膜的滅菌性能（Blank：空白對照組） g) 蒸發器收集的淡水用于豌豆苗栽培

熱電聯產與應用

集成熱電模塊（TEG）后（圖8b），系統利用蒸發界面與水體間的溫差發電。1 kW m?2光照下輸出184 mV電壓、10.56 mA電流（圖8c），功率密度達1.5 W m?2（圖8h）。存儲的電能可驅動小型風扇及燈泡（圖8i-j），2倍光照時電壓升至300 mV（圖8f），性能優于同類技術（圖8k）。

圖8 熱電發電性能與應用 a) 基于塞貝克效應的熱電發電原理 b) 蒸發-熱電發電裝置示意圖 c) 1倍光照下熱電聯產系統的開路電壓與短路電流 d,e) 5次循環的開路電壓（d）與短路電流（e） f) 不同光強下PCP/PIL@PAN-M產生的開路電壓 g,h) 1倍光照下系統的電流-電壓曲線（g）與功率密度（h） i,j) 熱電發電機驅動微型風扇（i）與燈泡（j） k) 與其他系統性能對比圖

總結與展望

該研究通過仿生設計破解了太陽能海水淡化的鹽積累難題，同步實現高效水凈化、抗菌及發電功能。未來，這種“水-熱-電”三位一體技術有望應用于復雜水域的離網供能系統，為可持續發展提供創新解決方案。

來源：高分子科學前沿

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