南京大学唐少春团队CEJ: 仿生向日葵设计新型太阳光追踪器件实现光热界面发电和淡水收集的持续高效一体化

邃瞳科学云

2024-12-21

导读：本研究设计开发出了一种仿生向日葵的新型一体化集成式太阳光追踪界面蒸发器件，具有温度刺激响应的趋光性，能够在没有任何电子设备的情况下实现全方位光跟踪和太阳能持续收集，实现了太阳能利用率和淡水收集效率的显

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近日，南京大学唐少春教授团队与上海交通大学钱小石教授团队合作，设计开发出了一种仿生向日葵的新型一体化集成式太阳光追踪界面蒸发器件，具有温度刺激响应的趋光性，能够在没有任何电子设备的情况下实现全方位光跟踪和太阳能持续收集，实现了太阳能利用率和淡水收集效率的显著提升。该研究工作以题为“Sunflower-inspired smart evaporator with omnidirectional solar tracking for highly enhanced energy-capturing and sustainable freshwater harvesting”发表在国际知名期刊Chemical Engineering Journal, 2025, 503, 157917。与传统的非向光性水凝胶基蒸发器相比，该蒸发器的能量收集和水生产能力提高了约200%。值得一提的是，该趋光性蒸发器件还能在严重破坏的情况下快速自我修复，从而实现可持续的户外环境下服役并具备了额外的稳定可靠性。该研究工作为未来设计高性能和可持久运作的太阳能蒸发器件提供了新的途径。南京大学硕士研究生申煜椿，博士后张荣，上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生侯国栋为该论文的共同第一作者，南京大学现代工程与应用科学学院唐少春教授和上海交通大学钱小石教授为论文的通讯作者。

背景介绍

长期以来，水资源短缺一直是威胁环境可持续性的最大全球风险之一。过去几十年来，一些成熟的技术，如反渗透、电容去离子和膜蒸馏，已在实践中得到广泛应用。然而，这些技术通常需要较高的能源供应和额外的基础设施，极大地限制了它们在气候灾害危急情况下的及时响应。界面太阳能蒸发（ISE）作为一种有前途的水净化技术，以最小的碳足迹吸引了人们的极大关注。不同于传统的水蒸汽生成技术，ISE技术通过吸收太阳辐射，直接或通过中间载液将热量传递给散装液体，从而实现快速和高能效的水蒸发。

尽管界面太阳能蒸发器具有诸多优点，但其现场操作较为复杂，需要更多关注。一个关键性问题是如何避免斜入射光损失。由于地球与太阳的相对位置每天和每季都在变化，要保持蒸发器的阳光收集面垂直于太阳入射方向是一项繁琐的工作。作为一种典型的向日型植物，向日葵从清晨到黄昏都会跟随太阳移动，这样它们的叶片和花盘就能保持正常的太阳入射方向，使向日葵能够接受更多的太阳辐射，获得更多的能量进行光合作用，促进生长和繁殖。首次报道的生物仿真全向光跟踪器是由热响应水凝胶和光热纳米粒子组成的纳米复合材料。跟踪器被构造成多功能部件或遵循非稳态振荡照射方向，已被用于机电设备和光致聚合物等领域。然而，目前的ISE设备还没有展示出这种自适应行为。因此，将ISE技术与向日葵特性耦合有望设计更高效的界面太阳能蒸发器，为可操作的户外现场作业提供可行的参考方案。

针对以上问题，该研究报道了一种仿生向光性太阳能界面蒸发器（BPSIE），它能够在没有任何电子设备或人为控制的情况下全方位跟踪光线，并通过收集太阳能高效地产生蒸汽。通过设计刺激响应水凝胶赋予了蒸发器在三维空间中展现趋光特性。BPSIE在实际现场操作中表现出卓越的能量转换效率，在4 kW m^-2强度光照下的光到蒸汽能量转换效率超过99%。通过保持相对于光源的垂直照明，BPSIE的能量收集能力和水蒸气生产速率比具有相同几何设计的非趋光系统提高了200%。据我们所知，该研究是首次提出在空气中运行的各向同性太阳能界面蒸发器。

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图1. 向日葵启发的太阳能蒸发器的人工向光性和三维仿生结构示意图。

图1展示了受向日葵启发而设计的太阳能蒸发器的三维仿生结构。众所周知，向日葵在生命的早期阶段从黎明到黄昏都会追随太阳，这种现象被称为趋光性。向光性使向日葵能够接受更多的太阳辐射，从而提高光合生产力。在此基础上，启发该研究设计出了一种新颖的向日葵启发三维仿生太阳能界面蒸发器，具有灵敏的人工趋光性，为充分利用太阳能提供了巨大潜力。

图2. (A) PPy改性聚酯纤维和三维锥形吸收器对光的吸收示意图。(B) PPy与聚酯纤维的反应机理。(C) PPy改性聚酯纤维的SEM图像。(D)三维锥形吸收器的照片。(E) 从300 nm到2500 nm的光学吸收光谱。(F) 三维锥形吸收器的平均表面温度与时间的函数关系。

图2展示了三维锥形吸收器的制作过程和光热性能。如图 2B 所示，聚吡咯（PPy）改性聚酯纤维经折叠和缝合后形成了三维锥形吸收器，聚酯纤维和负载的 PPy 之间富含多个氢键，具有极强的相互作用。在投影面积相同的情况下，三维结构比二维结构的有效表面积更大。因此，向日葵启发的三维吸收器显著提高了空间体积利用率。光吸收光谱显示三维锥形吸收器具有95.37%的高太阳吸收率，这归因于纳米PPy粒子的光吸收增强效应。红外热成像图像表明蒸发器优异的光热转换效率，为太阳能蒸汽产生奠定了坚实的基础。

图3. (A-D）PNIPAm和CNT@PDA/PNIPAm的照片及其相应的SEM图像。（E，F）MCPP的向光性运动的照片和红外热图图像。(G) 不同CNT@PDA含量的 PNIPAm在300-2500 nm波长范围内的光学吸收光谱。(H) 在800 mW cm^-2光强下CNT@PDA/PNIPAm 的平均表面温度和 (I) 跟踪角随时间的变化。

PNIPAm通过膨胀/收缩过程显示出剧烈且可逆的体积相变，SEM图像显示均匀的多孔结构有利于光热转换和趋光性能。当光线垂直聚焦在MCPP的左侧时，它向入射光的方向弯曲并维持定向。MCPP 的弯曲角度与光照强度成正比，即向光弯曲的角度随着光照强度的增加而增大。此外，仿生茎的光跟踪行为如图3I所示，通过自适应光照方向，蒸发器的茎部能够自由匹配入射光方向跟踪入射光以实现高能效。

图4. (A) 入射角为20°的 BPSIE 的向光性运动照片。在不同入射角（B 和 C）和不同光强（入射角 45°（D 和 E）和 90°（F 和 G））下，BPSIE的水蒸发的累积重量损失、蒸发率和相应的能量效率。

图4A显示BPSIE 能够快速、精确地瞄准入射光，使圆盘垂直于光源，从而提高海水淡化的效率。图4B和C记录了水蒸发过程中不同入射光角度的累积重量损失，在C_opt= 4的太阳光照射下，0、45、90、135 和 180° 的水蒸发率均超过 5.00 kg m^-2 h^-1，同时实现了超高的太阳能利用率（99.27%）。当入射角增加到 90° 时，BPSIE在C_opt =1、2、4 和 6等条件下的水蒸发率分别进一步增加到 1.64、3.20、6.18 和 9.02 kg m^-2 h^-1。与一些报道的蒸发器相比，BPSIE 的光热转换效率在高光照强度下具有明显优势。

图5. 通过模拟结果获得的MCPP不同部位随时间变化的体积收缩（A）和温度分布（B）。BPSIE模型的模拟体积收缩（C）和温度分布（D）。

为了进一步了解BPSIE的动态能量转换过程，该研究模拟了支柱和仿生向日葵随时间变化的热分布和体积收缩。很明显，柱子从初始状态到最终状态的体积收缩变化高达 0.2，而温度差则高达20 °C，这表明其具有良好的光热响应性。由于具有趋光性，BPSIE 受光照表面的体积收缩随着时间的推移逐渐减小。BPSIE 向光源一侧的温度迅速升高，而其背面则保持相对较低的温度。模拟结果从理论上证实了仿生向日葵的光敏行为。

图6. (A 和 B) BPSIE 设备的室外应用照片。(C) 白天湿度、温度和太阳光通量的变化。(D) 不同尺寸的三维仿生太阳能界面蒸发器。

为了评估 BPSIE 在实际应用中的效果，在自然日照条件下实现了室外太阳能驱动的界面蒸发，进一步证明了BPSIE具有高效灵敏的趋光性。利用自制的海水淡化装置即可完成水蒸发和收集的操作，显示了其应用的简易性、扩展的巨大潜力以及窗口形状的独立性。蒸发 12 小时后，该蒸发系统的累计产水量达到 2.56 kg m^-2，表现出极佳的产水率。BPSIE 可以制作成各种尺寸的装置，甚至可以达到真正向日葵的效果。这种基于太阳能收集和人工向光性设计的策略为高效利用太阳能的全日光蒸发展示了广阔的前景。

总结与展望

综上所述，该研究通过开发一种机械强度高、可自愈合的刺激响应性水凝胶，合成了一种受向日葵启发的具有人工向光性的三维仿生蒸发器。这种三维结构的仿生凹面镜形光接收器具有很强的光吸收能力（95.37%），在入射角为 0° 至180° 的宽温度范围内瞄准并对准了三维空间中的入射光方向，从而使 BPSIE 的太阳能收集能力比非逆向吸收器提高了 200%。该工作为开发基于仿生学的向光性蒸汽发生器提供了一条有趣的途径，这种蒸汽发生器可以像陆地植物一样在空气中运行，用于太阳能驱动的海水淡化，并为资源有限的恶劣环境中的实际应用提供了巨大的潜力。仿生向光性概念可推动轻型、高效软机器人系统的发展，这些系统可在无需人类关注或任何耗能电子设备的情况下自行运行。

近年来，唐少春教授团队一直致力于太阳能利用和产业化，在光热转换、辐射制冷、界面蒸发、水电联产等领域有深入的研究，已取得了一系列突破和成果。(Adv. Energy Mater. 2024, 2470097 (Inside Front Cover); ACS Nano, 2024, 18, 11120–11129; Adv. Sci. 2024, 10.1007/s42765-024-00444-2; Chem. Eng. J., 2024, 150194; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15, 50522–50531; Chem. Eng. J.,2023, 143127; Adv. Sci.2023, 10, 2206176; J. Mater. Chem. A, 2023,11, 2349-2359; Mater. Horiz., 2022, 9 1232-1242).

固体微结构物理国家重点实验室、南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室为该项工作的顺利开展提供了重要支持。该项工作得到了国家重点研发计划项目，国家自然科学基金项目，江苏省重点研发计划项目，江苏省碳峰碳中和科技创新专项基金项目资助。

论文信息

Yuchun Shen, Rong Zhang, Guodong Hou, Yu Chen, Peng Yang, Xiaoshi Qian*, Shaochun Tang*, Sunflower-inspired smart evaporator with omnidirectional solar tracking for highly enhanced energy-capturing and sustainable freshwater harvesting. Chemical Engineering Journal, 2025, 503, 157917, https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157917

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