引言：为减缓环境退化、应对气候变化并推动社会长期稳定发展，亟需实施可持续发展战略。太阳能作为一种可持续且清洁的能源，在减缓气候变化和减少空气污染方面发挥着关键作用，从而推动人类社会发展。在各种太阳能转化形式中，光热转化技术已成为海水淡化与废水处理最具成本效益的解决方案之一。界面太阳能蒸汽发生（ISSG）^[1]利用光热转化材料将热能局域在气-液界面，使水持续传输至蒸发表面以实现稳定蒸发。已开发出多种光热转化材料，包括碳基材料^[2,3]、无机半导体^[4,5]、聚合物材料和金属，用于构建高效的ISSG系统。通常，这些光热材料与基底材料集成，制成纤维膜^[6,7]、气凝胶、水凝胶,以及生物质基材料等蒸发器件。

近日，东华大学廖耀祖教授团队在《Nature Communications》期刊发布了 “Bioinspired photothermal zwitterionic fibrous membrane for high - efficiency solar desalination and electricity generation” 的最新研究成果。该团队通过静电纺丝和原位氧化聚合技术，成功制备光热两性离子纤维膜，实现高效太阳能海水淡化与发电。这一成果为解决全球淡水短缺与能源问题，提供了创新方案。

一、仿生光热两性离子纤维膜的设计与制备

该膜的设计灵感源于生物细胞膜中的水通道蛋白，通过静电纺丝与原位氧化聚合技术制备而成，核心是将基于卟啉的共轭微孔聚合物（PCP）与聚离子液体（PIL）整合到聚丙烯腈（PAN）纳米纤维中，形成 PCP/PIL@PAN-M 复合膜 1-78。PCP 作为光热转换材料，在 200-1400nm 波长范围内对太阳光的吸收率达 92%，能快速将光能转化为热能（1 个太阳光照下 10 分钟内表面温度升至 83℃）；PIL 则作为抗盐成分，其两性离子基团可通过静电作用调节水分子与离子的相互作用 1-106。

    图1：光热两性离子纤维膜的制备与表征

二、高效海水淡化性能：高蒸发效率与优异耐盐抗菌特性

适合长期在 1kW・m⁻²（1 个太阳）光照下，PCP/PIL@PAN-M 膜的蒸发速率达 2.64kg・m⁻²・h⁻¹，光热转换效率高达 97.6%，远超纯 PAN 膜（6.6%）和仅含 PCP 的复合膜（95.6%）1-130。这一高效性能源于 PCP 的强吸光能力与 PIL 亲水基团对蒸发焓的降低作用 —— 分子动力学模拟显示，含 PIL 的系统中 500ps 内蒸发的水分子数量是纯水溶液的 3 倍以上，氢 bond 作用弱化使蒸发更易进行 1-158。膜的耐盐性同样突出：当 NaCl 浓度从 3.5wt%（模拟海水）增至 20wt%（高盐卤水）时，蒸发速率仍稳定在 2.70kg・m⁻²・h⁻¹ 左右；连续运行 40 小时后无盐结晶，这得益于 PIL 通过静电作用吸附 Na⁺和 Cl⁻，阻止其在蒸发界面聚集，同时多孔结构促进盐离子向主体溶液扩散 1-146。此外，PCP 在光照下产生的单线态氧（¹O₂）可高效杀灭细菌（抗菌率 99%-100%），避免微生物污染导致的性能衰减，户外应用。

    图2：光热两性离子纤维膜的蒸发性能和耐盐性

三、热电耦合与综合应用：实现光 - 热 - 电一体化输出

通过将光热蒸发器与热电模块（TEG）耦合，该系统实现了淡水与电力的协同产出。在 1 个太阳光照下，TEG 的开路电压（Vₒc）达 184mV，短路电流（Iₛc）为 10.56mA，功率密度达 1.5W・m⁻²，可驱动小型风扇、灯泡等电子设备；光照强度提升至 2 个太阳时，开路电压增至 300mV，且 5 次循环测试后性能稳定 207。实际应用中，6×8cm² 的蒸发器在户外测试中成功将海水淡化，淡化水的金属离子浓度降低 2-3 个数量级，电导率从 31.59mS・cm⁻¹ 降至 33.63μS・cm⁻¹，符合世界卫生组织（WHO）饮用水标准，且可用于植物培育 1-187。这种集淡化、发电、耐盐、抗菌于一体的系统，为太阳能驱动的多能联用技术提供了新思路，推动光 - 热 - 电一体化系统的实用化发展。

     图3：基于塞贝克效应的 thermoelectric 发电示意图和性能

文献来源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61244-9

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