蒸發材料1202丨江南大學JEC論文： 基于生物質的三維太陽能界面蒸發器：集成高效蒸發與發電

蒸發材料

近日，國際期刊《Journal of Energy Chemistry》在線發表了題為《基于生物質的三維太陽能界面蒸發器集成高效蒸發與發電》的研究性論文。該研究開發并系統評估了一種由廢棄棉纖維、海藻酸鈉、碳黑和硫化銅構建的生物質衍生三維氣凝膠雙功能太陽能蒸發器。通過將超疏水隔熱內層（C/SA/YTMS）與親水光熱外層（C/SA/T-CuS）進行仿生復合，成功構建了具有分級多孔通道和離子選擇性傳輸微環境的圓柱形蒸發器，文章深入探討了其制備過程、微觀結構、熱定位管理、水傳輸行為、抗鹽性及其在高效海水淡化和同步發電中的協同作用機制。研究闡明了該蒸發器在95.66%的寬譜高光吸收率、高達97.8%的太陽能-蒸汽轉換效率以及源自棉纖維/海藻酸鈉功能化微通道（-COOH/C-OH）對Na?選擇性傳輸所產生的流動電勢方面的顯著優勢。在實驗中，該蒸發器在處理高濃度鹽水（20 wt%）、真實海水以及酸/堿廢水時，均表現出高且穩定的蒸發速率（1個太陽光照下可達3.87 kg m?2 h?1）和接近100%的離子/污染物去除率，其產水水質符合世界衛生組織飲用水標準。同時，它能在3.5 wt% NaCl溶液中產生高達222.6 mV的開路電壓，并通過串聯顯著提升輸出電壓。分子動力學模擬結果進一步證實了電勢的產生源于功能基團與離子之間的差異相互作用。長期循環實驗（100次循環及16天）結果進一步表明，該生物質基蒸發器具有優異的結構和性能穩定性。《Journal of Energy Chemistry》是能源化學領域的頂尖權威期刊，在化學、材料與能源科學交叉領域具有重要影響力。

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全球淡水短缺和能源短缺問題亟需綜合性解決方案。為克服傳統太陽能蒸發器存在的鹽積累、熱耗散及材料可擴展性等問題，本研究提出了一種基于生物質衍生的三維氣凝膠雙功能太陽能蒸發器，可同時實現超高淡水產量和連續發電。通過巧妙集成具有隔熱和浮力功能的超疏水內層與具備快速水傳輸和太陽能吸收能力的親水光熱外層，我們的設計克服了蒸發效率、抗鹽性和能量損失之間的權衡。該蒸發器表現出卓越的雙重性能：蒸發速率達3.87 kg·m?2·h?1（1個太陽光照強度），并產生22.26 mV的持續開路電壓，性能優于大多數已報道的系統。這種協同效應源于離子梯度驅動的流動電位，該電位是通過-COOH/C-OH功能化微通道實現選擇性Na?傳輸而產生的，分子動力學模擬驗證了這一點。關鍵的是，該制備工藝利用了低成本的生物質材料和可擴展的技術，顯示出巨大的商業化潛力。這項工作不僅為雙功能蒸發器中離子選擇性傳輸提供了機理理解，而且為清潔水和可再生能源的可持續聯產建立了范例，通過單一且可擴展的平臺應對了兩大緊迫的全球性挑戰。

全球淡水短缺與能源危機對可持續發展構成了嚴峻挑戰，而太陽能驅動界面蒸發技術被視為一種極具潛力的海水淡化解決方案。然而，傳統的蒸發器，尤其是生物質基蒸發器，在實際應用中仍面臨一系列瓶頸：其一，蒸發過程中的鹽分積累會堵塞通道，影響長期穩定性；其二，存在顯著的熱量損失（尤其是向水體下方的傳導），導致能量利用效率低下；其三，其結構和性能往往受限于生物質自身特性，且常需依賴非生物降解的聚合物材料來提供浮力和隔熱，增加了環境負擔與成本；其四，大多數研究忽視了蒸發過程中產生的低品位能量（如鹽度梯度能），造成了能源浪費。 因此，開發一種能夠同步解決結鹽、熱損失問題，并能將廢棄能量轉化為電能的一體化、低成本、可擴展的蒸發系統至關重要。本研究旨在應對這一需求，通過設計一種新型雙功能蒸發器，實現高效淡水生產與綠色發電的協同。

• 創新材料設計與組裝
  

• 仿生雙層氣凝膠結構

• 基于低成本生物質的可擴展制備

• 離子選擇性傳輸發電機制
  

• 分子動力學模擬揭示微觀機理

  
  

圖1.生物質太陽能蒸發器的絲瓜狀結構示意圖，用于從海水中生產淡水。(A)C/SA/TCU的合成程序。(B)C/SA/T-CU的結構配置。(C)已制備的SE的自浮和抗鹽機制的圖解。

圖2.(a-c)C/SA/T-CuS氣凝膠的局部掃描電子顯微鏡圖像。(D)中和反應過程示意圖和反應后局部氣凝膠的掃描電子顯微鏡圖像。(E)C/SA/T-CuS氣凝膠的元素分布和高分辨率。

圖3.(A)FTIR光譜。(B)X射線衍射譜。(C)C1S，(D)O1S，(E)Cu2p和(F)S 2p XPS譜。(G)描繪外部光熱層結構的示意圖。(H)局部放大圖像，顯示光熱層迅速吸收10個L1水滴。

圖4.三維氣凝膠層狀結構的熱管理策略。(A)2D SE和(B)3D SE的有效蒸發面積和對環境的能量損失。(C)3D氣凝膠組裝SE的結構分析。

圖5. 新型太陽能蒸發器的性能評估(a) 太陽能蒸發器性能測試的實驗裝置圖。(b) 在250至2500 nm波長范圍內的光吸收效率。(c) 在1個太陽和2個太陽光照強度下的表面溫度。(d) 在1個太陽和2個太陽光照強度下因蒸發導致的水分流失量。(e) 在1個太陽光照下不同曝光時間太陽能蒸發器的熱成像圖。(f) 在不同暴露高度下，水面和太陽能蒸發器的蒸發速率。(g) 太陽能蒸發器的實物照片及展示其內部鹽離子和水傳輸路徑的示意圖。(h) 蒸發速率和能量效率的對比。

圖6.水分子與C/SA/T-CuS氣凝膠的相互作用。(A)微細棉纖維與水分子之間的氫鍵。(B)SA與水分子之間的氫鍵。(C)C/SA/T-CuS中水的拉曼位移在3,000-3,700 cm?范圍內的擬合曲線。(D)C/SA/T-CuS和純水的DSC曲線。(E)表面溫度隨輻照開啟和關閉的變化曲線。(F)在單日照下不同鹽分濃度下SE的蒸發速率。

圖7.SE在凈水中的能力和循環性。(A)處理前后水樣中金屬離子的濃度。(B)羅丹明B廢水SE蒸發-冷凝處理前后水樣的UV-Vis光譜，插圖圖像顯示SE處理前后的水的數字照片。(C)酸性和堿性廢水SE處理前后水樣的pH值。(D)3.5wt%鹽水溶液在1個太陽照射下處理100個循環的蒸發率。(E)在室外條件下對SE進行蒸發-冷凝測試。

圖8.SE的發電量。(A)不同曝光高度下SE發電機的示意圖。(B)在1太陽照射下，SE在不同曝光高度的開路電壓曲線圖。(C)在一次太陽照射下，在不同鹽濃度下蒸發時SE的開路電壓。(D)比較相關文獻中報道的不同SE的蒸發速率和輸出電壓。(e，f)串聯三個和五個SE的示意圖。(G)在1太陽照射下串聯的SE的開路電壓。(H)研究東南太平洋蒸發過程的MD模擬。(I)蒸發過程中SE內部通道內的電荷分布情況。自由基分布函數圖說明了Na+/ClCOOH與(J)-?和(K)C-OH的相互作用。(L)Na~+和Cl~+?的MSD圖。

我們成功開發了一種新型的、基于生物質的三維氣凝膠雙功能太陽能蒸發器，用于從海水中高效生產淡水和電力。這種雙層氣凝膠太陽能界面蒸發器的制備工藝易于放大，適用于商業化生產。該蒸發器的內部超疏水氣凝膠層為外部親水蒸發層提供了浮力支撐和熱絕緣。這種新型蒸發器表現出優異的快速光熱響應和穩定的水蒸發性能。在1個太陽光照強度下，其對模擬海水的蒸發速率達到了3.87 kg·m?2·h?1。此外，在太陽能蒸發海水過程中，蒸發器內部形成了鹽離子濃度梯度，該梯度可被收集并用于發電。研究發現，影響發電的關鍵因素是水蒸發導致的外部親水層內的水流速和離子濃度梯度。使用3.5 wt%的NaCl溶液時，該蒸發器在1個太陽光照下產生了高達222.6 mV的最大開路電壓，從而同時實現了高效的水蒸發和發電。分子動力學模擬結果表明，棉纖維和海藻酸鈉中的含氧官能團與Na?和Cl?離子之間的差異性相互作用，是形成流動電位的主要原因。這項研究推進了高性能太陽能蒸發器的設計和實際應用，為實現利用太陽能從海水中聯產淡水和電力提供了新方案。

Zhang, C., Zhuang, S. J., Dai, L., Long, Z., & He, Z. B. Biomass-based 3D solar interface evaporators integrating efficient evaporation and power generation. Journal of Energy Chemistry, 2025, 110, 873-883.

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資料整理：雷幸悅（陽光凈水）

編輯：環境與能源功能材料

雷幸悅（陽光凈水課題組）

【資料整理】雷幸悅：資源與環境碩士研究生。

陽光凈水課題組：主要研究方向為生物質基環境功能材料、太陽能蒸發材料、磁性吸附材料、污染物吸附和環境催化反應機理。承擔自然科學基金項目、浙江省自然科學基金探索項目、浙江省自然科學基金（聯合基金）探索項目、市科技計劃項目等十余項。在Chem Eng J、Bioresour Technol、J Hazard Mater、Desalination、Carbohydr Polym、J Colloid Interf Sci、Sep Purif Technol、Ind Eng Chem Res、J Environ Manag、J Environ Sci等期刊上發表或接收SCI收錄論文100余篇；中科院TOP期刊綜述論文9篇（其中Chitosan 5篇）；發表論文被Chem Rev、Chem Soc Rev、Energ Environ Sci、Adv Mater、Coordin Chem Rev、Prog Polym Sci、Adv Funct Mater、Water Res、Adv Energy Mater等400余SCI期刊引用超過6500次，篇均被引次數超過60次，單篇論文最高被引用次數為520次；19篇論文（曾）入選ESI高被引論文和7篇論文（曾）入選熱點論文。

殼聚糖丨纖維素丨MOF材料丨石墨烯丨碳納米管丨MXenes丨硫化鉬丨催化材料丨蒸發材料丨吸附材料丨電極材料丨除磷材料丨產氫材料

2025年9月，國際TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發表了陽光凈水課題組題為“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的綜述性論文。根據Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述多功能和可持續殼聚糖基界面蒸發材料在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本文總結了殼聚糖基太陽能界面蒸發器（CS-SIE）四種類型（水凝膠、氣凝膠、海綿和膜）、五種改性材料和在水污染控制中應用。最后，總結了CS-SIEs在際應用中仍面臨挑戰。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環境、制藥、食品等領域的工業應用，最新中科院分區：8.50/二區TOP期刊。

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2024年06月08日，國際期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發表了陽光凈水課題組題為“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”綜述論文。根據Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述殼聚糖基異相催化劑在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本綜述概述了金屬氧化物/殼聚糖基復合材料（MOs@CSbMs）、金屬硫化物/殼聚糖基復合材料（MSs@CSbMs）、鉍基半導體/殼聚糖基復合材料（BibSCs@CSbMs）、金屬有機框架/殼聚糖基復合材料（MOFs@CSbMs）和納米零價金屬/殼聚糖基復合材料（NZVMs@CSbMs）等5種Cat@CSbMs材料的制備策略及作為助催化劑、光催化劑、類芬頓試劑在處理各類廢水中的應用進展。該綜述不僅加深了對環境功能材料與環境污染控制作用的理解，也為未來Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和還原金屬離子等相關領域的研究提供了參考和啟示。該論文自2024年6月發表以來，現已被引用42次（Web of Science），2025年5月入選ESI高被引論文。

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2024年 12 月 24 日，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發表了 陽光凈水課題組 題為 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 綜述論文。本綜述全面總結了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高廢水處理和水凈化的有效改性策略，并重點闡述了MoS2bMats在環境污染物吸附、光催化降解和還原、Fenton高級氧化、PMS/PS活化氧化、廢水脫鹽（膜過濾和太陽能蒸發脫鹽）等方面的應用。最后，討論并提出了 MoS 2 bMats 理論研究與應用之間存在差距、工程挑戰、未來的研究方向和機遇。 該論文自 2024 年 12 月線上發表以來，現已被引用21 次（ Web of Science ）。

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2025年 06 月 ，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》發表了陽光凈水課題組題為 “Sustainable chitosan-based adsorbents for phosphorus recovery and removal from wastewater: A review” 最新 綜述論文。本文全面綜述了用于廢水中磷回收和去除的殼聚糖基吸附材料（CSMats）的性質、改性方法、影響因素。同時，總結了CSMats吸附去除水體磷的主要作用機理（氫鍵、靜電作用、路易斯酸堿相互作用、配體/離子交換和表面沉淀作用）。此外，還歸納了CSMats的再生方法、連續流處理和在實際廢水中應用。 最后，討論了 CSMats除磷材料面臨的挑戰和未來發展方向。《 International Journal of Biological Macromolecules 》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環境、制藥、食品等領域的工業應用，2025年6月最新影響因子/中科院分區： 8. 50/ TOP 期刊。該論文自 2024 年1 月線上發表以來，現已被引用9 次（Web of Science ）。

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2024 年 1 月，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊發表了陽光凈水課題組題為 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的綜述性論文。更清潔、更安全的環境是未來最重要的要求之一。與傳統材料相比，殼聚糖具有豐富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和親水性，是一種更環保的功能材料。由于殼聚糖分子鏈上豐富的 -NH2 和 -OH 基團可以有效地與各種金屬離子螯合，殼聚糖基材料作為金屬氧化物納米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撐基質具有巨大的潛力。近年來，許多殼聚糖 / 金屬氧化物納米材料（ CS/MONM ）作為吸附劑、光催化劑、非均相類芬頓試劑和傳感器，在環境修復和監測中具有潛在和實際的應用。本綜述全面分析和總結了CS/MONMs復合材料的最新進展，這將為CS/MONMs復合材料的制備和廢水處理應用提供豐富而有意義的信息，并有助于研究人員更好地了解CS/MONMs復合材料在環境修復與監測中的潛力。該論文自 2024 年 1 月線上發表以來，現已被引用59 次（ Web of Science ），國際引用占比55.0%。

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2024 年 2 月，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發表了陽光凈水課題組題為 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的綜述性論文。污染物檢測和水凈化對于實現環境保護和資源利用非常重要。構建新型功能材料去除各種污染物也變得越來越重要和緊迫。本綜述總結了磁性殼聚糖（M-CSbMs）的3種可靠制備策略（原位策略、兩步策略和沉積后策略），并詳細介紹了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金屬離子、有機染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低濃度污染物等方面的研究進展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面臨的挑戰和前景，以期促進其在水凈化和固相萃取污染物方面的實際應用。該論文自 2024 年 2 月發表以來，現已被引用 42 次（ Web of Science ）。

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