蒸發材料1214丨河北工業大學AFM論文：空間型雙面太陽蒸發器，具有高蒸發速率和增強的鹽處理能力

2025年，《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊在線發表了題為“Spatially Janus-Like Solar Evaporator with High Evaporation Rate and Enhanced Salt Processing Capacity”的研究性論文。在1小時太陽輻照下，該蒸發器實現4.18 kg m?2 h?1的蒸發速率和801 g m?2 h?1的鹽產率，并在八個明暗循環（20 wt.% NaCl）中保持長期穩定性。《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊2024年影響因子為19.0，刊登旨在改善材料化學和物理性能的杰出研究成果，通過涵蓋廣泛的領域并提供有關材料科學各方面的突破性研究。

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太陽能驅動的界面蒸發結合可控鹽結晶技術為實現零液體排放的海水淡化提供了有效途徑。然而，傳統Janus蒸發器常面臨高蒸發效率與可控鹽結晶之間的固有權衡。本文提出了一種具有嵌入式圓錐形蒸發核心及外圍親水供水區域的空間分布三維Janus蒸發器。通過調節PVA/CS比例，構建了具有互連多孔通道的強效雙網絡水凝膠，確保機械穩定性和高效水分傳輸。SiO2納米顆粒的引入實現了空間梯度的親水-疏水界面，從而實現強熱定位、蒸發表面水分含量降低以及由幾何限制引導的鹽結晶調控。實驗與理論分析表明，圓錐形核心幾何結構優化了傳熱與傳質的耦合，即使在高鹽度條件下也能維持穩定蒸發和可控結晶。在1小時太陽輻照下，該蒸發器實現4.18 kg m?2 h?1的蒸發速率和801 g m?2h?1的鹽產率，并在八個明暗循環（20 wt.% NaCl）中保持長期穩定性。本研究提出了一種空間工程化策略，用于整合高效蒸發與定向鹽分收集，為可持續零液體排放的海水淡化及鹵水管理提供了新見解。

太陽能驅動的界面蒸發技術被視為緩解全球水資源短缺問題的有效策略，特別是在“雙碳”戰略（碳達峰和碳中和）框架下，該技術因其高太陽能到蒸汽轉換效率和低運行成本而成為可持續的水凈化和脫鹽替代方案。近年來，界面蒸發器的設計取得了顯著進展，包括提高光熱轉換效率、優化水傳輸路徑、調控水分子狀態和集成多種能源。然而，在實際部署中，蒸發器表面鹽結晶問題仍然是一個持久挑戰，尤其是在處理高鹽度廢水時更為嚴重。鹽結晶不僅會降低蒸發器的光吸收和水傳輸性能，還可能對環境造成污染。因此，開發具有強抗鹽性和結晶管理能力的蒸發器對于實現零液體排放（ZLD）和可持續鹽水管理至關重要。當前緩解鹽積累的策略主要分為“無鹽”和“鹽分離”兩類。“無鹽”策略通過設計大孔結構、Janus架構等方法防止鹽直接在表面結晶，但并不能完全消除鹽排放。“鹽分離”策略則通過完全分離溶質和水來實現ZLD，但現有研究多集中于簡單基材，水親和性有限，導致蒸發率較低。水凝膠材料因其優異的親水性、豐富的多孔結構和強機械性能，在界面蒸發研究中受到廣泛關注。然而，使用水凝膠材料進行蒸發結晶面臨結構降解和鹽積累等挑戰，影響后續的光吸收和蒸發性能。Janus結構通過調節水和鹽的傳輸，實現了高蒸發率和抗鹽性的協同平衡，在太陽能界面蒸發系統中得到廣泛應用。然而，傳統設計主要關注增強蒸發和抑制鹽結晶，允許溶解的鹽離子返回給水，限制了完全的水鹽分離。工業脫鹽操作中常見的高鹽度廢水需要進一步處理以防止環境污染，這對蒸發器的鹽處理能力和長期穩定性提出了更高要求。因此，開發能夠在高鹽度條件下保持高效蒸發和穩定運行的蒸發器具有重要意義。

提出了空間分布的3D Janus蒸發器，該蒸發器具有嵌入式錐形蒸發核心和外圍親水性供水區域。這種獨特的設計結合了內部疏水蒸發區和外部親水水凝膠基質，形成了空間分布的潤濕性配置。錐形核心設計優化了熱質傳遞耦合，即使在高溫高鹽度條件下也能保持穩定的蒸發和可控的結晶。

引入SiO2納米顆粒，實現了空間梯度親水-疏水界面，增強了熱定位，減少了蒸發表面的水含量，并調節了鹽的結晶。

1.不同核心結構的太陽能界面蒸發器示意圖及其對應的鹽分管理機制。a)無芯蒸發器。b)圓柱形芯蒸發器。c)錐形芯蒸發器。

2. a)蒸發器制備過程的示意圖，以錐形核心蒸發器為例。bc) CS1/PVA0.8-AC水凝膠垂直和水平界面的SEM圖像。不同水凝膠的孔隙分布。e)五種不同水凝膠中孔徑從0-100 μm的百分比分布分析。f)水供應區域（CS1/PVA0.8-AC）和蒸發核心區域（CS1/PVA0.8-AC-SiO2）的蒸發器飽和含水量。

3. a) AM 1.5 G太陽光譜疊加了無AC和有AC的水凝膠的UV-vis- NIR吸收曲線。b)有無疏水二氧化硅的水凝膠在干燥和水飽和狀態下的熱導率測量。c) CS1/PVA0.8-AC（無芯）、CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓柱形）和CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓錐形）在1太陽（1 kW m?2）輻照下的表面溫度演變。d) CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓錐形）的三維溫度場，以及CS1/PVA0.8-AC（無芯）、CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓柱形）和CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓錐形）在1太陽輻照下的截面溫度分布。e) CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓錐形）在1太陽輻照下0–15分鐘的紅外熱像圖。

4. a) CS/PVAy-AC-SiO2（圓錐形）蒸發器在1小時太陽光照下的純水蒸發速率。b) CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓錐形）蒸發器在黑暗條件下及不同光照面積下1小時太陽光照下的蒸發速率。c) CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓錐形）與過去十年報道的鹽結晶蒸發器在處理不同濃度鹽水時1小時太陽光照下的蒸發速率對比。水的三種狀態及水分子在水凝膠中的分布示意圖，包括BWFWIWe) CS1/PVA0.8-AC-SiO2中水分子O─H伸縮帶的高斯反卷積。f)從五種不同比例水凝膠的拉曼光譜中提取的IW/FW比值。g)純水及相應水凝膠蒸發器的DSC熱流溫度曲線。h)每個系統的蒸發焓由熱流溫度曲線計算得出。i) 1小時太陽光照下純水及水凝膠的蒸發速率及相應的蒸發效率。

圖5. a) CS1/PVA0.8-AC（無芯）、CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓柱形）和CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓錐形）蒸發器在連續1小時太陽輻射下24小時的蒸發速率。b) CS1/PVA0.8-AC（無芯）、CS1/PVA0.8-AC（圓柱形）和CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓錐形）水凝膠的二維氯化鈉濃度分布的數值模擬。c) CS1/PVA0.8-AC（無芯）、CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓柱形）和CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓錐形）蒸發器在1小時太陽輻射下連續蒸發24小時后的光學圖像。d) CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓錐形）在交替8小時光照（1小時太陽）和8小時黑暗周期下的循環性能，顯示在八個周期內蒸發速率穩定。e) CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓錐形）的平均鹽收獲率（801g.m-2.h-1）與文獻中報道的先進蒸發器進行對比。

圖6. a)戶外太陽能凈水系統的示意圖，該系統結合了CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓錐形）蒸發器和傾斜冷凝器。b)戶外運行時CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓錐形）蒸發-結晶裝置的照片。c) CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓錐形）的蒸發速率，累計產水量，以及記錄的戶外條件（太陽輻射、環境溫度和相對濕度）。d，e)模擬含Mo和RhB的染料廢水在蒸發前及太陽能蒸發后收集的冷凝水的紫外-可見光譜。f)進料人工海水和冷凝水中的K+、Ca+、Na+和Mg2+濃度，表明凈化水符合世界衛生組織飲用水標準。

總之，我們開發了一種空間分布的3D Janus水凝膠蒸發器，該裝置集成了中央疏水蒸發核心和外圍親水供水區，實現了水鹽同步分離與回收。在錐形核心中引入低密度疏水二氧化硅納米顆粒，不僅降低了表面潤濕性并增強了熱定位，還實現了空間梯度的水分分布以高效產生蒸汽。同時，親水外圍確保了持續的水分補充和鹽向外運輸，有效防止了蒸發界面處的鹽積累。這種協同結構從而在熱管理、水分輸送和鹽結晶之間建立了動態平衡，實現了高蒸發效率和定向邊緣鹽收集。在1小時陽光照射下，優化后的CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圓錐形）蒸發器實現了4.18 kg m?2 h?1的蒸發速率和801 g m?2 h?1的鹽產率，并在20 wt.%鹽水中多次循環中保持了優異的穩定性。實驗觀察和理論模擬均證實了錐形蒸發核心在調控耦合熱質傳遞和引導鹽結晶中的關鍵作用。本研究為構建多功能水凝膠基蒸發器提供了通用設計策略，為可持續太陽能脫鹽、ZLD 操作和高鹽度鹵水管理提供了新見解。

Xinye Liu, Jinmin Zhao, Jing Fang, Zhensheng Yang, Xingjiang Wu, Hao Li, Janus macroporous polyelectrolyte hydrogels towords excellent solar desalination, Chemical Engineering Journal, 504, 2025, 159009, 1385-8947, https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.159009.

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資料整理：徐澤恩（陽光凈水）

編輯：環境與能源功能材料

徐澤恩（陽光凈水課題組）

【資料整理】徐澤恩：資源與環境碩士研究生，研究方向為海水/廢水蒸發處理，發表中科院TOPSCI期刊論文2篇，參與浙江省自然科學基金項目1項，獲一等學業獎學金1次。

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。其中被國外學者引用25次，國際引用占比60%。

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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 18 次（ Web of Science ），國際引用占比55.5%。

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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8 次（Web of Science ），國際引用占比75%。

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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51 次（ Web of Science ），國際引用占比51.0%。

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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 41 次（ Web of Science ）。

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