水-空氣-固體界面作為自然界與工程技術(shù)中普遍存在的物理現(xiàn)象，其特性深刻影響著電、光、熱等能量形式及信號(hào)在界面間的傳輸效率。這一界面不僅是能量與信號(hào)交互的橋梁，其性質(zhì)更如同精密調(diào)控的閥門，對(duì)能量流與信號(hào)流的性質(zhì)與行為產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在理想狀態(tài)下，能量與信號(hào)能夠自發(fā)地穿越界面，如電荷沿電場(chǎng)梯度定向遷移、光線穿透透明介質(zhì)、熱量自然地從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域。然而，實(shí)際應(yīng)用中，潤(rùn)濕界面往往成為制約能量與信號(hào)高效傳輸?shù)钠款i，具體表現(xiàn)為電流衰減、光線散射、熱傳導(dǎo)效率低下等現(xiàn)象。因此，對(duì)界面及其潤(rùn)濕性的精心設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵。這不僅是為了克服界面障礙，減少能量與信號(hào)的損失，更是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)能量與信號(hào)傳輸過程的按需調(diào)控，以滿足智能自適應(yīng)設(shè)備對(duì)高效、精準(zhǔn)能量管理的需求。通過調(diào)控界面的潤(rùn)濕性，能夠精確控制界面上的能量與信號(hào)行為，為先進(jìn)電子器件、光子元件及高效傳熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造開辟新的途徑，推動(dòng)科技進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)升級(jí)。
近日，深圳大學(xué)材料學(xué)院王元豐助理教授團(tuán)隊(duì)圍繞纖維材料界面的潤(rùn)濕改性與功能化設(shè)計(jì)開展了一系列研究，并探討了其在潤(rùn)濕行為誘導(dǎo)的能量與信息傳遞方面的獨(dú)特潛力，有望應(yīng)用于海洋能源開發(fā)與利用、海上農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)及污染治理等前沿領(lǐng)域。研究成果在《Adv. Mater.》《Angew.》《Adv. Funct. Mater. 》（兩篇）相繼發(fā)表，王元豐均為獨(dú)立通訊作者。以下為成果概覽：
成果一：從材料、機(jī)理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用等方面抽絲剝繭，系統(tǒng)總結(jié)了在潤(rùn)濕界面上電、光、熱能量和信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)化與調(diào)控，聚焦于界面潤(rùn)濕調(diào)控和界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，深入討論了濕伏發(fā)電、液滴摩擦電、光子晶體、自清潔、太陽(yáng)光熱蒸發(fā)、液滴冷凝等與潤(rùn)濕界面調(diào)控結(jié)合的意義、原理和方法，并詳細(xì)介紹了其在綠色發(fā)電、傳感、防偽、防霧、人體熱管理、海水淡化等領(lǐng)域的應(yīng)用。
文章信息：Xiao H., Yu Z., Liang J., Ding L., Zhu J.,Wang Y.,*Chen S., Xin J. H. Wetting Behavior-Induced Interfacial transmission of Energyand Signal: Materials, Mechanisms, and Applications.Adv. Mater.2024,202407856.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407856
成果二：基于光敏材料分子尺度的梯度能級(jí)排列，并結(jié)合具有微納米尺度的分級(jí)孔結(jié)構(gòu)的超浸潤(rùn)木質(zhì)纖維基底，構(gòu)建了一種新型的多尺度層級(jí)結(jié)構(gòu)的有機(jī)光催化制氫平臺(tái)。與傳統(tǒng)的給體-受體體系相比，該三元體系促進(jìn)了電荷轉(zhuǎn)移并增強(qiáng)了光催化活性。同時(shí)，該平臺(tái)的潤(rùn)濕層級(jí)孔結(jié)構(gòu)界面賦予了其反復(fù)捕獲光能和在水面下自懸浮的能力，從而同時(shí)提高了光利用效率并減少了鹽沉積，展現(xiàn)出良好的耐久性。在氙燈照射下，該有機(jī)催化平臺(tái)在犧牲劑存在時(shí)的析氫速率達(dá)到165.8 mmol h?1m?2，超過了大多數(shù)報(bào)道的無(wú)機(jī)系統(tǒng)。在構(gòu)建的可規(guī)?；到y(tǒng)上（1600 cm2），該平臺(tái)在連續(xù)五小時(shí)的日照內(nèi)（正午時(shí)段）從海水中產(chǎn)生了80.6 ml m?2的氫氣。更重要的是，這種跨學(xué)科的創(chuàng)新方法，涵蓋了分子和微納結(jié)構(gòu)兩個(gè)層面，為光催化制氫向真正應(yīng)用導(dǎo)向型發(fā)展提供了方向。
文章信息：Zhu J., Dang J., Xiao H., Wang Y., Ding L., Zheng J., Chen J., Zhang J., Wang X., Xin H. J., Chen S.,Wang Y.*Multi-scale Hierarchical Organic Solar Catalytic Platform for Self-Suspending Sacrificial Hydrogen Production from Seawater.Angew. Chem.2024, 2412794.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202412794
成果三：針對(duì)海洋開發(fā)中淡水和能源聯(lián)合生產(chǎn)的需求，以及現(xiàn)有體系缺乏協(xié)同耦合機(jī)制以達(dá)到高效水電聯(lián)產(chǎn)的現(xiàn)狀，我們開發(fā)了一種基于聚吡咯包覆二氧化鈦納米管（PPy@TiO2NTs）的材料集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的電力和清潔水的聯(lián)合生產(chǎn)，主要工作原理包括通過水伏發(fā)電效應(yīng)進(jìn)行電力生產(chǎn)，以及通過光熱蒸發(fā)和光催化的雙重機(jī)制來生產(chǎn)清潔水PPy@TiO2NTs的中空纖維結(jié)構(gòu)顯著增加了水流與材料界面的接觸面積，并提升了流速，從而產(chǎn)生了更多的雙電層（EDL），同時(shí)延緩了熱量散失，并提供了豐富的催化活性位點(diǎn)。另一方面， PPy@TiO2NT界面強(qiáng)大的分子相互作用以及吸附性和極性的提升也促進(jìn)了電荷的有效轉(zhuǎn)移。因此，PPy@TiO2NT體系展現(xiàn)出了卓越的水伏發(fā)電和凈水生產(chǎn)性能。
文章信息：Xiao H., Zhu J., Ding L., Zheng J., Liu C., Du B., Chen S.,Wang Y*.Polypyrrole@TiO2 composite nanotube system with enhanced capillary fluid and charge transfer for high-current hydrovoltaic energy generation and seawater purification.Adv. Funct. Mater.2024, 2407669.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202407669
成果四：在全球人口快速增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的背景下，耕地和淡水資源的短缺已經(jīng)成為我們生活中日益嚴(yán)重的問題。太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的界面水蒸發(fā)技術(shù)，利用太陽(yáng)能界面集熱的方式實(shí)現(xiàn)海水淡化，是最有希望獲得高質(zhì)量淡水的方法之一。近年來，科研人員在光熱材料設(shè)計(jì)合成、太陽(yáng)能蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)調(diào)控方面展開研究，不斷提高蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和太陽(yáng)能-蒸汽轉(zhuǎn)換效率。其中，基于有機(jī)分子的光熱蒸發(fā)體系以其質(zhì)輕、低廉及結(jié)構(gòu)可調(diào)等特點(diǎn)受到關(guān)注，然而在面向?qū)嶋H應(yīng)用中面臨著捕光效率低、循環(huán)性能差、易氧化失效等問題?；诖?，我們提出了利用仿生界面的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性配合有機(jī)共軛分子，實(shí)現(xiàn)高效捕光和循環(huán)穩(wěn)定的光熱海水淡化策略，研究結(jié)果為低成本、制備簡(jiǎn)易、抗鹽耐用的太陽(yáng)能蒸發(fā)系統(tǒng)和海上農(nóng)業(yè)提供了新的思路。研究人員受水生硅藻的啟發(fā)，通過簡(jiǎn)單的有機(jī)合成方法得到光熱共軛分子，將光熱分子負(fù)載到了低成本的木漿海綿纖維基材上，分別構(gòu)建了具有水面下懸浮機(jī)制的蒸發(fā)器。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光下，蒸發(fā)器的太陽(yáng)能-蒸汽轉(zhuǎn)換效率超過了88%，并且蒸發(fā)器的太陽(yáng)能水蒸發(fā)效率最高達(dá)到1.62 kg m?2 h?1，這是目前基于純有機(jī)分子蒸發(fā)器的最高效率之一。
文章信息：Zhu J., Wang Y., Qiu X., Kong H., Li Y., Yan J., Zheng J., Chen S., Wang Y., andWang Y.*, Biomimetic Seawater Evaporator Based on Organic 3D Light Capture and Suspension-Protection Mechanism for In Situ Marine Cultivation.Adv. Funct. Mater.2023, 33, 2306604.
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202306604
項(xiàng)目支持：國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)，廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金和深圳市科技計(jì)劃的資助
