近日，我校纺织科学与工程学院在太阳能界面蒸发与热电转换交叉领域取得重要进展。研究成果以“Integrated Multi-Yarn Synergistic Light Trapping Cone Evaporator for Efficient Steam and Wire-Structured Thermoelectric Cogeneration”为题，发表于Cell子刊《Matter》。天津工业大学为论文第一完成单位和第一通讯单位，我校纺织科学与工程学院博士生李国龙为第一作者，我校青年教师张松楠副研究员、福州大学赖跃坤教授为共同通讯作者。

图1. 太阳能驱动水电联产蒸发器的设计原理及应用潜力

传统太阳能蒸发器在收集淡水时，大量低品位热能未被利用；现有“水电联产”方案又受限于外挂模块的堆叠，结构笨重、热耦合效率低。针对这一问题，研究团队提出结构一体化设计思路：受花朵形态启发，构筑一种新型的“包覆纱”结构。该结构将铜-康铜双金属线作为内嵌芯层，外层包覆天然苎麻纱线，并依次构筑海藻酸盐水凝胶亲水层与聚苯胺光热层，使单根纱线同时具备结构支撑、光热转化和温差发电三重功能。

图2. 包覆纱的制备与表征：（a）制备流程示意图；（b）纱线直径测量；（c）各阶段纱线及蒸发器实物图；（d）水传输性能；（e-g）各阶段包覆纱的表面形貌；（h-i）红外光谱与X射线光电子能谱分析；（j）全光谱太阳光吸收性能

改性后的“包覆纱”全光谱吸光度由不足60%跃升至90%以上，20秒内芯吸高度达3.2cm。单根纱线在20℃温差下可输出0.50mV电压，具有稳定的线性塞贝克响应。凭借金属线芯的刚性支撑，该纱线克服了传统纺织材料遇水软塌的缺陷，可精准构筑90°锥形集光结构。在1个太阳光强下，该结构核心光热区平衡温度达62℃，干态输出电压达38mV。湿态运行下，系统蒸发速率高达1.77kgm^-2h^-1，蒸发效率达98%，稳定输出17mV以上电压。更重要的是，在21wt.%的极端浓盐水中，中心光热区保持清洁，盐结晶仅出现在边缘，保持稳定的水电联产性能。

图3. 包覆纱的温差发电性能分析：（a-b）导线缠绕长度与捻度对输出电压的影响；（c）不同温差下的电压输出响应；（d-f）单根纱线持续发电的电压、电流及循环稳定性

图4. 包覆纱蒸发器的水电联产性能：（a-c）纱线长度对蒸发量与产电性能的影响；（d-f）锥形角度对蒸发量与产电性能的影响；（g）有/无导电芯层纱线的抗弯垂测试；（h-i）不同蒸发器的水蒸发速率与效率对比

户外实测中，系统日产淡水达10.41kgm^-2，峰值输出电压17.45mV；净化后水中Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺浓度均降至10mgL^-1以下，满足世界卫生组织饮用水标准。连续运行一周，蒸发与发电性能保持稳定，涂层及导电芯线无腐蚀脱落。

图5. 蒸发器的抗盐结晶机制与户外验证：（a）高浓度盐水下的表面盐结晶对比；（b-c）长时间连续运行中的水蒸发与发电稳定性；（d）淡化过程中盐浓度动态演变机制；（e）户外测试装置；（f-j）户外真实光照下的太阳强度、集水量、冷热端温度差、热电压及水质分析

该研究首次在单根“包覆纱”内实现了热电器件与太阳能蒸发器的深层耦合，突破了传统外挂式模块的堆叠模式，兼具结构一体化、自脱盐、材料精简和可扩展等优势。研究所形成的单纱级热电-蒸发一体化耦合新策略，有望为柔性可穿戴系统、自供能智能纺织品、人体微环境能量收集等领域的先进材料与器件研发提供关键技术支撑。

上述工作得到了“纺织之光”应用基础研究项目、中国博士后基金面上项目、国家重点研发计划以及国家自然科学基金等项目的资助和支持。

该研究成果充分彰显了我校纺织“双一流”建设学科在前沿科学探索与重大科技创新方面的研究实力，展现了学科主动对接国家战略需求、推动多学科深度融合的创新活力。下一步，学校纺织科学与工程学院将持续深化有组织科研与学科交叉，围绕智能纺织品关键核心技术、纤维基结构与功能协同调控及工程化验证开展深入研究，推动学科交叉优势转化为原创性成果产出和关键核心技术突破，不断提升学科科技创新策源能力、国际学术影响力和服务国家重大战略需求的能力。

（审稿：纺织科学与工程学院 刘雍 编辑：党委宣传部 李焕峰）

图片来源：纺织科学与工程学院