| 成果简介： |
当今世界，全球水资源逐渐紧张，能源需求进一步增长。在这一境况下，2020年9月，中国明确提出2030年碳达峰与2060年碳中和目标。中国大部分地区，尤其是海岛、山区等边远地区，淡水资源日益缺乏、极端气候日益频发，需要一种绿色、高效的供能与供水系统。传统水资源技术主要包括海水淡化、废水回用、雨水收集，但这些技术方法设备内部结构与现场部署大多十分复杂，并且所需能耗非常高，电力供应往往因布网成本高昂及环境适应性差而受限。雾水是优秀的天然微型水资源，其清洁、可再生，并且使用成本较低，获取相对较为简单，收集、利用过程也环境友好，是资源与能源融合利用的重要进路。江苏科技大学研究团队通过深入观察沙漠中仙人掌在极端干旱环境中如何高效率捕获雾气，以及热带雨林中瓶子草如何超快速定向传输水分，并模仿这些生物的独特结构成功设计出仿生雾水收集器(BFWC)。这种收集器不仅具备仙人掌锥形刺突捕获雾气的能力，还融合了瓶子草表面微通道特性实现快速输水。基于这种收集器，团队开发了高效率雾能利用系统，缓解了淡水短缺现状，助推了清洁能源发展，并为可持续发展开辟了崭新道路。
1.主要研究成果及创新点：团队围绕高湿环境下雾水资源开发与能量自驱动转换这一关键科学问题，提出系统性技术路线，即“仿生结构优化设计-界面材料性能调控-雾水能一体化转化系统集成”，并取得两项代表性创新成果。1.1面向资源协同获取的仿生雾水能转化系统构建与性能提升。基于仙人掌锥刺诱导拉普拉斯压差以及瓶子草毛细导流效应，团队构建出多尺度仿生结构。该结构结合锥形捕雾与渐变沟槽导流，通过超疏水-超亲水表面调控、圆弧过渡区域优化，显著降低了液滴钉扎阻力，提升了导流连续性与冷凝效率。辅以聚二甲基硅氧烷(PDMS)石墨烯导热复合涂层，实现高达48940mg·cm<sup>-2</sup>·h-1的收雾效率，较传统集雾器提升超3倍。针对雾滴动能驱动的摩擦电转换机制，团队设计了固液接触型摩擦纳米发电机(TENG)，该结构与集雾结构一体化结合，可实现雾滴动能直接转化为电能。通过定量分析落高、频率、冲击角度等动态参数影响电荷转移效率的方式，发现最大转移电荷量达28.9 nC。通过材料界面电导率调控与接触响应提升，有效提升了固液接触型摩擦纳米发电机在高湿环境下的输出稳定性，使其可满足长期户外部署需求。在系统集成方面，团队实现了收雾、导流、发电三功能模块结构融合与协同布局。结合计算流体动力学(CFD)仿真与实验数据，优化热-流-电场分布，实现系统级协同增益。通过实验验证确认，集成系统在无外部供能条件下可稳定输出微电功率，为偏远地区如边防哨所、无人岛礁提供自主运行能力。1.2面向高湿稳定运行的仿生摩擦电界面构筑与电荷调控策略。仿照梨竹(Melocanna humilis)叶表多级结构，团队开发了微米凸起-纳米纤维耦合界面，并复合低表面能聚四氟乙烯(PTFE)涂层与PDMS基体，从而实现超疏水性能。这一结构接触角达164°、滑动角仅3°，显著缩短了冷凝-脱落时间(从天然叶面冷凝-脱落时间226s大幅降至64s)，有效抑制水膜形成，界面可用性得到显著提升。在电荷调控方面，团队提出了“内部极化增强-表面电荷俘获”协同机制。钛酸钡(BaTiO<sub>3</sub>)纳米颗粒增强介电极化与储能性能，形成内部电荷富集区；PTFE涂层提升表面负电荷捕获能力。最终开发出的器件电压输出达230V、电荷量达315nC、峰值功率达83μW，且有能力在90％相对湿度下保持90％以上稳定输出，远优于已报道结果。器件经1.5万次水滴冲击循环与90d高湿稳定性测试后输出性能无明显衰减，展现出良好机械耐磨性，34次砂纸磨损后接触角仍大于155°。在HCl/NaOH浸泡下，器件仍能保持稳定输出，可驱动发光二极管(LED)、计算器及微功耗传感器，具备较强工程实用潜力。
2.项目推广应用情况：项目研究成果已在高效雾水收集、界面能量转化与系统集成等领域实现关键技术突破，为雾能资源多维开发利用奠定坚实基础。团队已初步于边防哨所、无人岛礁等偏远地区部署仿生雾水能转化系统并进行测试，在无外部供能条件之下可实现稳定微电功率输出，为相关区域基础设施运行提供可靠能源支撑。该技术因能够高效收集雾水资源并同步转化为电能，无需复杂管网铺设以及高昂维护成本，可以显著降低偏远地区基础设施投入，具有显著经济效益。同时，这一技术对于改善偏远地区居民生活条件具有重要意义：稳定淡水供应、基础电力保障能有效缓解海岛、边远山区等地区的水电短缺问题。系统环境友好特性符合绿色低碳发展理念，对推动“双碳”目标实现有明显助力。此外，该技术对应急救援、野外作业等场景而言也具有重要应用价值，可为保障人员基本生存需求提供技术支撑。
3.未来展望：仿生策略下雾水能量耦合收集与高湿稳定转化技术为解决偏远地区水电供应难题提供了创新思路，对推动能源转型与生态可持续发展具有重要意义。随着技术不断完善以及不断推广应用，该成果将在更广泛领域发挥重要作用，为构建绿色低碳社会贡献科技力量。后续，团队将围绕“实际场景适配性增强-材料工艺绿色升级多源能协同优化”三大方向，持续深化关键技术体系。 |
