水-空氣-固體界面作為自然界與工程技術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在界面間的傳輸效率。這一界面不僅是能量與信號交互的橋梁，其性質(zhì)更如同精密調(diào)控的閥門，對能量流與信號流的性質(zhì)與行為產(chǎn)生深遠影響。在理想狀態(tài)下，能量與信號能夠自發(fā)地穿越界面，如電荷沿電場梯度定向遷移、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，實際應用中，潤濕界面往往成為制約能量與信號高效傳輸?shù)钠款i，具體表現(xiàn)為電流衰減、光線散射、熱傳導效率低下等現(xiàn)象。因此，對界面及其潤濕性的精心設計顯得尤為關鍵。這不僅是為了克服界面障礙，減少能量與信號的損失，更是為了實現(xiàn)對能量與信號傳輸過程的按需調(diào)控，以滿足智能自適應設備對高效、精準能量管理的需求。通過調(diào)控界面的潤濕性，能夠精確控制界面上的能量與信號行為，為先進電子器件、光子元件及高效傳熱系統(tǒng)的設計與制造開辟新的途徑，推動科技進步與產(chǎn)業(yè)升級。
近日，深圳大學材料學院王元豐助理教授團隊圍繞纖維材料界面的潤濕改性與功能化設計開展了一系列研究，并探討了其在潤濕行為誘導的能量與信息傳遞方面的獨特潛力，有望應用于海洋能源開發(fā)與利用、海上農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測及污染治理等前沿領域。研究成果在《Adv. Mater.》《Angew.》《Adv. Funct. Mater. 》（兩篇）相繼發(fā)表，王元豐均為獨立通訊作者。以下為成果概覽：
成果一：從材料、機理、結(jié)構、應用等方面抽絲剝繭，系統(tǒng)總結(jié)了在潤濕界面上電、光、熱能量和信號傳輸?shù)膬?yōu)化與調(diào)控，聚焦于界面潤濕調(diào)控和界面結(jié)構設計的角度，深入討論了濕伏發(fā)電、液滴摩擦電、光子晶體、自清潔、太陽光熱蒸發(fā)、液滴冷凝等與潤濕界面調(diào)控結(jié)合的意義、原理和方法，并詳細介紹了其在綠色發(fā)電、傳感、防偽、防霧、人體熱管理、海水淡化等領域的應用。
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排列，并結(jié)合具有微納米尺度的分級孔結(jié)構的超浸潤木質(zhì)纖維基底，構建了一種新型的多尺度層級結(jié)構的有機光催化制氫平臺。與傳統(tǒng)的給體-受體體系相比，該三元體系促進了電荷轉(zhuǎn)移并增強了光催化活性。同時，該平臺的潤濕層級孔結(jié)構界面賦予了其反復捕獲光能和在水面下自懸浮的能力，從而同時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，該有機催化平臺在犧牲劑存在時的析氫速率達到165.8 mmol h?1m?2，超過了大多數(shù)報道的無機系統(tǒng)。在構建的可規(guī)?；到y(tǒng)上（1600 cm2），該平臺在連續(xù)五小時的日照內(nèi)（正午時段）從海水中產(chǎn)生了80.6 ml m?2的氫氣。更重要的是，這種跨學科的創(chuàng)新方法，涵蓋了分子和微納結(jié)構兩個層面，為光催化制氫向真正應用導向型發(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)同耦合機制以達到高效水電聯(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)旨在實現(xiàn)太陽能驅(qū)動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)電效應進行電力生產(chǎn)，以及通過光熱蒸發(fā)和光催化的雙重機制來生產(chǎn)清潔水PPy@TiO2NTs的中空纖維結(jié)構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），同時延緩了熱量散失，并提供了豐富的催化活性位點。另一方面， PPy@TiO2NT界面強大的分子相互作用以及吸附性和極性的提升也促進了電荷的有效轉(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和經(jīng)濟持續(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重的問題。太陽能驅(qū)動的界面水蒸發(fā)技術，利用太陽能界面集熱的方式實現(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計合成、太陽能蒸發(fā)器結(jié)構調(diào)控方面展開研究，不斷提高蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率和太陽能-蒸汽轉(zhuǎn)換效率。其中，基于有機分子的光熱蒸發(fā)體系以其質(zhì)輕、低廉及結(jié)構可調(diào)等特點受到關注，然而在面向?qū)嶋H應用中面臨著捕光效率低、循環(huán)性能差、易氧化失效等問題?；诖耍覀兲岢隽死梅律缑娴莫毺亟Y(jié)構和潤濕性配合有機共軛分子，實現(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、制備簡易、抗鹽耐用的太陽能蒸發(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)，通過簡單的有機合成方法得到光熱共軛分子，將光熱分子負載到了低成本的木漿海綿纖維基材上，分別構建了具有水面下懸浮機制的蒸發(fā)器。在一個標準太陽光下，蒸發(fā)器的太陽能-蒸汽轉(zhuǎn)換效率超過了88%，并且蒸發(fā)器的太陽能水蒸發(fā)效率最高達到1.62 kg m?2 h?1，這是目前基于純有機分子蒸發(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
項目支持：國家自然科學基金委員會，廣東省基礎與應用基礎研究基金和深圳市科技計劃的資助
