随着全球人口增长、化石能源枯竭和荒漠化问题的加剧，可持续能源和淡水的需求日益增加。传统的电力和淡水生产方法主要依赖于不可再生的化石燃料，并且通常需要复杂的模块集成，导致环境污染、高成本和便携性差等问题。因此，开发绿色、低成本、高效的技术以同时解决电力和淡水生产问题成为学术界和工业界的迫切需求。海水占据了地球水资源和表面积的绝大部分，利用海水这一广阔且未充分利用的资源来解决能源危机和淡水短缺问题具有巨大的潜力。然而，现有的海水发电和淡水生产技术（如潮汐发电、海洋热能转换、电渗析和反渗透）需要昂贵的大型设施、适宜的气候条件、化石燃料燃烧和大量电力，难以在资源匮乏的偏远地区推广应用。蒸发驱动发电（EEG）和太阳能驱动水蒸发（SSG）是两种新兴的绿色技术，分别通过蒸发和太阳能转换来产生电力和淡水。EEG利用电解质溶液在纳米通道中流动的动能，基于电双层（EDL）效应将蒸发能转化为电能。SSG则通过光热材料吸收太阳能并将其转化为热能，驱动水蒸发并生成淡水。然而，现有的EEG和SSG材料通常制备复杂、成本高昂，限制了其在资源匮乏地区的应用。因此，开发低成本、多功能且易于制备的材料成为当前研究的重点。

本研究提出了一种基于墨水涂层的粘胶纤维复合材料（Ink@VF），通过简单的浸染法制备，具有优异的机械性能、亲水性、导电性和光热转换性能。该材料可直接应用于EEG和SSG设备中。Ink@VF基EEG在1 mol/L NaCl溶液中可实现最大开路电压（Voc）为0.65 V，最大功率密度为43.72 mW/m²，并可集成开发自供电手环。同时，Ink@VF基SSG在1太阳光照射下的蒸发速率和太阳能转换效率分别达到1.32 kg/m²/h和84.9%，可实现1.49 kg/m²/h的淡水生成速率，并去除超过99.9%的金属离子。该研究为资源匮乏的偏远地区提供了一种低成本、高效的能源和淡水解决方案。

图1：Ink@VF复合材料的多功能应用示意图

图1展示了Ink@VF复合材料在蒸发驱动发电和太阳能驱动水蒸发中的应用。通过简单的浸染法，墨水涂层均匀覆盖在粘胶纤维表面，形成具有优异导电性和光热性能的多功能材料。该材料可用于EEG和SSG设备，分别通过蒸发和太阳能转换产生电力和淡水。

图2展示了Ink@VF的制备过程及其表征结果。通过浸染法，墨水均匀覆盖在粘胶纤维表面，形成稳定的复合材料。SEM图像显示，Ink@VF具有多孔结构，且随着墨浓度的增加，碳黑纳米颗粒的分布密度增加。FT-IR光谱表明，Ink@VF与粘胶纤维之间存在强烈的氢键相互作用，进一步增强了材料的稳定性。力学性能测试显示，Ink@VF的拉伸应力和杨氏模量显著提高，确保了其在EEG和SSG应用中的稳定性和耐久性。

图3展示了Ink@VF基EEG的发电性能。通过蒸发、毛细效应和电双层效应的协同作用，EEG能够将电解质溶液的动能转化为电能。实验结果表明，随着墨浓度和NaCl浓度的增加，EEG的开路电压和短路电流先增加后减少，最佳功率密度达到43.72 mW/m²。此外，EEG在不同外部条件下（如温度、风速、湿度等）表现出稳定的发电性能。

图4详细研究了外部条件（如电解质溶液、pH值、温度、风速、湿度等）对Ink@VF基EEG发电性能的影响。结果表明，高温、低湿度和高风速有助于提高EEG的发电效率，而高湿度和低风速则会降低其性能。这些结果为EEG在实际环境中的应用提供了重要参考。

图5展示了基于Ink@VF基EEG的自供电手环的设计与应用。通过将多个EEG串联，手环能够产生足够的电压驱动电子计时器，展示了其在可穿戴电子设备中的潜在应用。实验表明，三个串联的EEG能够提供2.20 V的开路电压和0.72 mA的短路电流，持续供电17分钟。

图6展示了Ink@VF基SSG的太阳能驱动水蒸发性能。实验结果表明，在1太阳光照射下，SSG的蒸发速率达到1.32 kg/m²/h，太阳能转换效率为84.9%。通过蒸发-冷凝机制，SSG能够高效生成淡水，并去除超过99.9%的金属离子。

图7展示了Ink@VF基SSG在海水淡化中的应用。通过蒸发-冷凝机制，SSG能够将海水转化为淡水，生成速率达到1.49 kg/m²/h，且金属离子去除率超过99.9%。该设备为全球淡水短缺问题提供了一种低成本、高效的解决方案。

总结

本研究通过简单的浸染法制备了多功能Ink@VF复合材料，展示了其在蒸发驱动发电和太阳能驱动水蒸发中的优异性能。该材料为资源匮乏的偏远地区提供了一种低成本、高效的能源和淡水解决方案，具有广泛的应用前景。

Weng M, Zhou J, Yu W, et al. Multifunctional Chinese ink-coated viscose fiber composite for evaporation-driven electricity generation and solar-driven steam generation. Nano Research, 2025, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907341.