仿生光热两性离子纤维膜：高效太阳能海水淡化与发电的协同策略

本研究针对太阳能驱动海水淡化中盐分积累的关键难题，受水通道蛋白启发设计了一种多孔两性离子纤维膜（PCP/PIL@PAN-M）。通过整合卟啉基共轭微孔聚合物（PCP）和聚离子液体（PIL），该膜实现了选择性水传输（蒸发率2.64 kg m-2 h-1，光热效率97.6%）与盐阻隔功能，同时耦合热电模块实现1.5 W m-2的稳定电力输出，为太阳能-热-电联用系统提供了创新解决方案。

　　

全球淡水短缺与能源危机是21世纪人类面临的重大挑战。传统海水淡化技术能耗高，而太阳能驱动界面蒸发（ISSG）虽具有零碳排放优势，却长期受困于盐分结晶导致的效率衰减问题。尤其对于二维膜材料，盐分在蒸发界面的沉积会阻塞水传输通道，降低光吸收效率。如何模拟生物系统的离子选择性传输机制，成为突破该技术瓶颈的关键。

东华大学的研究团队从水通道蛋白（aquaporins）的分子机制中获得灵感，设计出兼具高效光热转换与离子筛分功能的仿生纤维膜。这种多孔两性离子纤维膜（PCP/PIL@PAN-M）通过卟啉基共轭微孔聚合物（PCP）实现92%的宽谱光吸收，同时利用聚离子液体（PIL）的电荷分布特性选择性阻隔Na⁺/Cl^-，在1 kW m^-2光照下实现2.64 kg m^-2 h^-1的蒸发速率，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究团队采用电纺丝与原位氧化聚合技术构建复合膜结构，通过分子动力学模拟（MDS）验证离子传输机制，并利用电子顺磁共振（EPR）检测单线态氧（¹O₂）抗菌活性。室外实验采用东海天然海水验证实际净化效果，热电模块（TEG）性能通过数字万用表量化。

膜材料设计与表征
通过Alder-Longo反应合成孔径<2 nm的PCP（比表面积828 m² g^-1），其1.18 eV窄带隙促进光热转换。电纺纤维膜中PCP与PIL的均匀分布（TEM证实）使接触角降至42°，比纯PAN膜提升60%润湿性。

蒸发性能与盐阻隔机制
PIL的zwitterionic（两性离子）基团通过破坏高盐梯度抑制结晶，使膜在20 wt%浓盐水中保持稳定蒸发。分子模拟显示PIL将水分子氢键数减少40%，降低蒸发焓。DSC证实中间水（IW）比例增加使冻结温度降低。

多功能集成应用
膜材料对东海海水的离子去除率达99.9%（Na⁺浓度从31.59 mS cm^-1降至33.63 μS cm^-1）。PCP产生的¹O₂对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）杀菌率达99%。耦合TEC1-12704热电模块后，系统在2 sun光照下输出300 mV电压，可驱动微型电子设备。

该研究首次将仿生离子筛分与光热-热电耦合策略相结合，突破传统蒸发器盐结晶限制。通过分子水平设计实现水/离子选择性传输，为开发"水-能联产"系统提供新范式。室外实测证实其耐候性，在强酸/碱环境中保持结构稳定，具有规模化应用潜力。这种"一膜多用"的设计思路，为应对全球水-能耦合挑战提供了创新技术路径。