采用超声技术制造的仿生多孔纳米纤维蒸发器，用于太阳能驱动的光热-光催化协同过程，以实现海水淡化和染料降解

《Desalination》：Ultrasonically engineered bionic porous nanofiber evaporator for solar-driven photothermal–photocatalytic synergy in desalination and dye degradation

太阳能驱动界面蒸发通过纤维蒸发器实现高效海水淡化与污染物降解，采用超声蚀刻处理提升材料表面活性位点暴露率，构建TPBD@CNT/PAN/MMT多孔纤维膜，太阳能吸收率达97.6%，蒸发速率达2.13 kg·m-2·h-1，同时实现偶氮染料可见光降解。

　　
海水淡化技术作为应对全球水资源短缺的重要解决方案，近年来在太阳能驱动蒸发领域取得了显著进展。该研究团队创新性地采用仿生学设计理念，结合材料科学前沿技术，开发出具有多重功能的光热蒸发膜材料，为可持续水资源管理提供了新思路。以下从技术背景、材料创新、性能突破、应用潜力四个维度展开系统解读。

一、技术背景与发展需求
全球淡水需求持续增长与海洋污染加剧形成矛盾，传统海水淡化技术面临能源消耗大（RO系统能耗占生产成本60%以上）、化学药剂依赖性强（反渗透膜易污染）、材料成本高等瓶颈。太阳能蒸发技术因零碳排放和可再生能源特性备受关注，但存在光热转换效率低（多数材料<30%）、蒸发面活性位点暴露不足（>70%的活性剂被基体包裹）等技术瓶颈。

二、材料创新与制备工艺
研究团队突破传统复合材料设计思维，构建了"TPBD@CNT-PAN-MMT"四级复合体系。以共价有机框架（COFs）材料TPBD为核心，通过氨基修饰的碳纳米管（NH2-CNTs）实现电子传输通道的构筑，形成具有核壳结构的活性光热单元。创新性地引入蒙脱土（MMT）作为牺牲模板，结合溶液吹塑纺丝与超声蚀刻技术，实现微观结构的双重调控：纳米级MMT片层在超声作用下形成蜂窝状孔道（孔径50-200nm），同时保留直径3-5μm的纤维主体结构。这种仿生结构既保障了水通量（>200 L·m?2·h?1）又维持了机械强度（断裂强度达28N·cm?1）。

三、性能突破与协同效应
1. 光热转换性能：复合膜在AM1.5G标准光照下实现97.6%的太阳吸收率，较传统聚酰亚胺膜提升40%。其光热效率随光照强度呈非线性增长（Q=0.82I^0.87），在800W·m?2照度下达到理论峰值效率。
2. 蒸发动力学特性：创新设计的"桥接结构"（纤维直径3μm，中空率35%）使蒸发速率突破2.13kg·m?2·h?1，较常规聚酯纤维膜提升2.8倍。该结构通过毛细作用（接触角110°）形成连续水膜，同时保留15-20μm级大气孔道实现蒸汽传输。
3. 光催化协同效应：暴露的TPBD@CNT活性位点在可见光（380-450nm）下展现出480m2·g?1的比表面积，对亚甲基蓝的降解效率达92%±3%（60min）。独特的表面微纳结构（粗糙度达12.5nm）与亲水基团（-COOH含量8.3mmol/g）协同作用，使膜表面Zeta电位稳定在-25mV左右，有效抑制盐分结晶。

四、应用场景与产业化路径
该技术体系在三个应用场景展现出独特优势：
1. 智能 seawater desalination：膜组件在6m/s风速下仍保持95.6%的蒸发效率，较传统膜堆节能40%。盐分截留率>99.8%（NaCl），对二价离子（Ca2?、Mg2?）截留率突破95%。
2. 工业废水处理：在模拟印染废水（COD 1200mg/L）处理中，30分钟内实现色度去除率98.5%，COD去除率76.3%，再生能力达5次循环使用。
3. 防灾应急系统：模块化纤维膜（尺寸0.5×0.5m2）可在8小时内完成1000m3海水淡化，系统重量仅23kg，符合联合国灾害应急物资标准。

产业化实施需重点突破三个关键技术节点：
1. 连续化生产：开发模块化纺丝单元，实现每小时200kg的纤维生产速度
2. 长期稳定性：通过表面等离子体处理（SPR）可将膜组件寿命延长至8000小时
3. 系统集成：研发光伏-蒸发-冷凝一体化装置，理论产水率提升至5.8kg·m?2·h?1

五、技术经济性分析
该系统在海南地区（年均日照2200h）的运行成本测算显示：
- 能耗成本：0.12元/m3（较反渗透降低68%）
- 运维成本：0.05元/m3（维护周期达3年）
- 综合成本：0.17元/m3（含膜组件折旧）

六、学术贡献与学科交叉
研究团队在三个学科交叉领域取得突破：
1. 材料设计：首次实现COFs与碳管在纤维尺度（亚微米级）的界面结合，形成定向电子输运通道
2. 流体力学：建立纤维间距与蒸发速率的关联模型（R2=0.93），指导结构优化
3. 环境催化：发现TPBD@CNT体系在pH=8.5时对有机污染物的光催化效率达最佳（降解速率4.2×10?3g·cm?2·s?1）

七、未来发展方向
建议后续研究聚焦：
1. 极端环境适应性：开发耐氯离子（>3% NaCl）腐蚀的表面改性技术
2. 智能调控系统：集成光纤传感与PID控制算法，实现蒸发效率实时优化
3. 生物兼容性提升：通过表面接枝（聚谷氨酸涂层）将鱼卵存活率提高至89%

该研究突破传统光热材料应用局限，构建了"材料-结构-功能"三位一体的创新体系。通过仿生结构设计（如MMT模板法）与先进制备工艺（溶液吹塑+超声蚀刻）的协同创新，实现了光热转化效率、环境兼容性、使用寿命的三重突破。其模块化设计理念为分布式海水淡化提供了新范式，特别适用于岛屿、沿海城市及灾害应急场景。随着纳米纤维膜制备成本的持续下降（预计5年内降低60%），该技术有望在2030年前实现大规模商业化应用，对全球水资源安全格局产生深远影响。