蒸發材料1231丨陜西科技大學AFM論文：用于制備高性能生物質太陽能蒸發器的可擴展CO?爆破膨化策略

蒸發材料

近日，國際頂級材料學期刊《Advanced Functional Materials》在線發表了題為“Scalable CO?-Puffing Strategy for Fabricating High-Performance Biomass Solar Evaporator”（可擴展CO?爆破膨化策略制備高性能生物質太陽能蒸發器）的研究性論文。研究團隊提出了一種新穎且可擴展的乙醇滲透脫水結合二氧化碳爆破膨化干燥（EOD-EPD）策略，并以廉價的土豆為生物質原料，成功構筑了兼具超高蒸發性能和卓越抗鹽能力的一體化碳化土豆蒸發器。該工作首先通過對比研究，從能耗、時間、成本等工程化角度系統論證了CO?爆破干燥相較于傳統冷凍干燥的顯著優勢。結合SEM、孔徑分布、接觸角等表征手段，深入揭示了EOD-EPD工藝如何構建出獨特的、高度互聯的多尺度孔道結構。在此基礎上，通過引入聚（4-苯乙烯磺酸鈉）（PNaSS）進行功能化改性，利用其強親水性與負電性，進一步增強了材料的毛細輸水和抗鹽離子沉積能力。研究表明，所制備的EOD-EPD-PNaSS蒸發器集高效光熱轉換、快速水輸運與長效抗鹽功能于一體。在1個太陽光照下，其蒸發速率高達3.46 kg·m?2·h?1，光熱轉換效率達到98.67%。得益于其互聯大孔結構誘導的馬蘭戈尼回流效應以及PNaSS的靜電排斥作用，該蒸發器表現出優異的長期耐鹽性，在17.5 wt%的高濃度鹽水中仍能穩定工作，并能在表面強制積鹽后快速實現自清潔。通過長達5天的循環蒸發實驗和真實戶外環境測試，充分驗證了其在實際應用中的可靠性和穩定性。這項工作為大規模、低成本生產高性能太陽能蒸發器提供了全新的、可工業化的技術路徑。《Advanced Functional Materials》是材料科學領域的國際頂尖期刊，2025年公布的影響因子為19.0，以其對前沿功能材料創新性研究的高標準要求而享譽全球，在該領域內具有頂級的學術影響力與權威性。

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可擴展且節能的制造方法對于太陽能驅動界面蒸發器的實際應用至關重要。本文提出了一種新穎且可擴展的二氧化碳爆破膨化干燥策略，用于構建具有分級多孔結構的高性能生物質基太陽能蒸發器。與傳統冷凍干燥相比，該方法在保持機械完整性和增強孔隙互聯性的同時，顯著降低了能耗和處理時間。由此產生的碳化土豆蒸發器，進一步用聚（4-苯乙烯磺酸鈉）（PNaSS）功能化后，表現出優異的光熱性能，在1個太陽光照下實現了3.46 kg·m?2·h?1的蒸發速率和98.67%的太陽能-蒸汽轉換效率。多尺度互連的孔結構促進了快速的水傳輸、有效的鹽分回流和熱局域化。值得注意的是，該蒸發器在循環運行和戶外測試中表現出優異的耐鹽性和長期穩定性。這項工作為生產生物來源的太陽能蒸發器提供了一條經濟高效且可擴展的途徑，為可持續淡水收集和海水淡化技術提供了新的見解。

隨著工業化發展，淡水短缺問題日益嚴峻，已成為威脅全球可持續發展的關鍵挑戰。海水淡化和廢水回用是緩解水資源短缺的關鍵策略，但傳統技術（如反滲透、電滲析和多級閃蒸）存在能耗高、操作復雜、效率有限等固有缺陷，限制了其大規模應用，難以滿足日益增長的清潔水需求。因此，開發節能、環保且可擴展的水凈化技術勢在必行。 太陽能驅動界面水蒸發作為一種有前景的替代方案，利用光熱材料將太陽能轉化為熱能用于產汽，從而實現了節能的海水淡化和廢水凈化。然而，一個關鍵瓶頸依然存在：殘留廢水中污染物的濃縮積累問題，需要同時進行凈化以防止二次污染。

• 提出并驗證了一種可工業化的新型干燥工藝
  

• 蒸發效率與耐鹽性達到同期領先水平

• 結合了物理結構疏導（互聯孔）和化學界面排斥（PNaSS）的雙重抗鹽策略
  

圖1.碳化馬鈴薯太陽能蒸發器的原理和工作機理a)冷凍干燥和爆炸膨化干燥過程中材料內部的氣孔形成示意圖b)海水淡化過程中EOD-EPD-CPE中的水鹽遷移機理c)大型CO2膨化干燥設備照片d)大規模膨化干燥產生的土豆樣品的照片。

圖2.材料的制備和表征a)CPE(EOD-EPD-PNaSS)制備過程b)CPE(EOD-EPDPNaSS)的表面掃描電子顯微鏡圖像c)CPE(EOD-EPD-PNaSS)的橫截面掃描電子顯微鏡圖像d)膨化干燥和冷凍干燥性能指標的比較。

圖3.不同干燥方法制備的馬鈴薯蒸發器的光熱轉化性能。a)CPE的UV-Vis-近紅外全光譜(200-2500 nm)；b)CPE的可見光光譜(380-760 nm)；c)CPE在1個太陽下蒸發時的表面溫度變化；d)1個太陽下CPE干濕溫度分布的紅外圖像(EOD-EPD-PNaSS)；e)CPE在1000us f蒸發過程中溫度分布的數值模擬(EOD-FD和EOD-EPD))50°C下不同干燥方法制備的CPE的導熱系數。

圖4.不同方法制備的馬鈴薯蒸發器的水分傳輸能力和蒸發性能。a)CPE吸水率隨時間的變化b)CPE在1KW·m?2太陽下的質量變化c)CPE在1KW·m?2太陽和3.5wt.%鹽水下的蒸發速率和能量效率d)3.5wt.%鹽水中CPE的拉曼光譜和H伸縮能區的拉曼光譜和擬合曲線(EOD-EPD-PNaSS)與碳化生物基材料的能效和水蒸發率的比較。

圖5.EOD-EPD-PNaSS馬鈴薯蒸發器的蒸發性能。a)3.5wt.%不同太陽光照度下CPE的質量變化；b)蒸發器表面加入0.3g鹽晶體前后CPE在不同鹽分濃度下的蒸發速率和能量效率；c)3.5wt.%鹽分和1個太陽光照下CPE 10h的蒸發性能測試；e)在500us的CPE過程中從頂部向下方水體的鹽分回流的數值模擬。

圖6.用于長期海水淡化和戶外測試的EOD-EPD-PNaSS土豆蒸發器。a)戶外測試的照片。b)在5天的循環試驗中3.5wt.%鹽水溶液的質量變化和蒸發速率。c)上午9時至下午18時在陜西西安市進行的室外蒸發試驗中的太陽強度、蒸發率和溫度。

本研究展示了一種通過CO?氣流爆破膨化干燥來制造生物質基蒸發器的可擴展、低成本策略。該工藝建立了一種通用機制，即通過CO?膨脹調控孔隙結構，產生一個高度多孔且互連的網絡，從而促進快速水傳輸和均勻的熱量分布。PNaSS的引入賦予了蒸發器增強的界面親水性和離子功能，這不僅加強了水的親和力、促進了離子傳輸，還抑制了長期運行中的鹽分積累。膨化多孔結構和PNaSS改性界面的協同作用顯著降低了蒸發焓，同時提高了蒸發效率和結構耐久性。這項工作不僅闡明了PNaSS與生物質基體之間的界面相互作用機制，也為設計高效光熱材料提供了一個通用策略。此外，CO?爆破膨化干燥的概念在更廣泛的應用中展現出巨大潛力，包括廢水凈化、污染物去除和可持續水處理技術。

Niu, Y., Yuan, Y., Wang, Y., et al. Scalable CO?-puffing strategy for fabricating high-performance biomass solar evaporator. Advanced Functional Materials, 2025, 35, e24021.https://doi.org/10.1002/adfm.202524021.

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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。

詳細內容看課題組主頁：

https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

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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43次（Web of Science），2025年5月起入選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23 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 43 次（ Web of Science ）。

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