蒸发材料1202丨江南大学JEC论文： 基于生物质的三维太阳能界面蒸发器：集成高效与发电

　　近日，国际期刊《Journal of Energy Chemistry》在线发表了题为《基于生物质的三维太阳能界面蒸发器集成高效蒸发与发电》的研究性论文。该研究开发并系统评估了一种由废弃棉纤维、海藻酸钠、碳黑和硫化铜构建的生物质衍生三维气凝胶双功能太阳能蒸发器。通过将超疏水隔热内层（C/SA/YTMS）与亲水光热外层（C/SA/T-CuS）进行仿生复合，成功构建了具有分级多孔通道和离子选择性传输微环境的圆柱形蒸发器，文章深入探讨了其制备过程、微观结构、热定位管理、水传输行为、抗盐性及其在高效海水淡化和同步发电中的协同作用机制。研究阐明了该蒸发器在95.66%的宽谱高光吸收率、高达97.8%的太阳能-蒸汽转换效率以及源自棉纤维/海藻酸钠功能化微通道（-COOH/C-OH）对Na⁺选择性传输所产生的流动电势方面的显著优势。在实验中，该蒸发器在处理高浓度盐水（20 wt%）、真实海水以及酸/碱废水时，均表现出高且稳定的蒸发速率（1个太阳光照下可达3.87 kg m⁻² h⁻¹）和接近100%的离子/污染物去除率，其产水水质符合世界卫生组织饮用水标准。同时，它能在3.5 wt% NaCl溶液中产生高达222.6 mV的开路电压，并通过串联显著提升输出电压。分子动力学模拟结果进一步证实了电势的产生源于功能基团与离子之间的差异相互作用。长期循环实验（100次循环及16天）结果进一步表明，该生物质基蒸发器具有优异的结构和性能稳定性。《Journal of Energy Chemistry》是能源化学领域的顶尖权威期刊，在化学、材料与能源科学交叉领域具有重要影响力。

　　全球淡水短缺和能源短缺问题亟需综合性解决方案。为克服传统太阳能蒸发器存在的盐积累、热耗散及材料可扩展性等问题，本研究提出了一种基于生物质衍生的三维气凝胶双功能太阳能蒸发器，可同时实现超高淡水产量和连续发电。通过巧妙集成具有隔热和浮力功能的超疏水内层与具备快速水传输和太阳能吸收能力的亲水光热外层，我们的设计克服了蒸发效率、抗盐性和能量损失之间的权衡。该蒸发器表现出卓越的双重性能：蒸发速率达3.87 kg·m⁻²·h⁻¹（1个太阳光照强度），并产生22.26 mV的持续开路电压，性能优于大多数已报道的系统。这种协同效应源于离子梯度驱动的流动电位，该电位是通过-COOH/C-OH功能化微通道实现选择性Na⁺传输而产生的，分子动力学模拟验证了这一点。关键的是，该制备工艺利用了低成本的生物质材料和可扩展的技术，显示出巨大的商业化潜力。这项工作不仅为双功能蒸发器中离子选择性传输提供了机理理解，而且为清洁水和可再生能源的可持续联产建立了范例，通过单一且可扩展的平台应对了两大紧迫的全球性挑战。

　　全球淡水短缺与能源危机对可持续发展构成了严峻挑战，而太阳能驱动界面蒸发技术被视为一种极具潜力的海水淡化解决方案。然而，传统的蒸发器，尤其是生物质基蒸发器，在实际应用中仍面临一系列瓶颈：其一，蒸发过程中的盐分积累会堵塞通道，影响长期稳定性；其二，存在显著的热量损失（尤其是向水体下方的传导），导致能量利用效率低下；其三，其结构和性能往往受限于生物质自身特性，且常需依赖非生物降解的聚合物材料来提供浮力和隔热，增加了环境负担与成本；其四，大多数研究忽视了蒸发过程中产生的低品位能量（如盐度梯度能），造成了能源浪费。 因此，开发一种能够同步解决结盐、热损失问题，并能将废弃能量转化为电能的一体化、低成本、可扩展的蒸发系统至关重要。本研究旨在应对这一需求，通过设计一种新型双功能蒸发器，实现高效淡水生产与绿色发电的协同。

　　图1.生物质太阳能蒸发器的丝瓜状结构示意图，用于从海水中生产淡水。(A)C/SA/TCU的合成程序。(B)C/SA/T-CU的结构配置。(C)已制备的SE的自浮和抗盐机制的图解。

　　图2.(a-c)C/SA/T-CuS气凝胶的局部扫描电子显微镜图像。(D)中和反应过程示意图和反应后局部气凝胶的扫描电子显微镜图像。(E)C/SA/T-CuS气凝胶的元素分布和高分辨率。

　　图3.(A)FTIR光谱。(B)X射线p XPS谱。(G)描绘外部光热层结构的示意图。(H)局部放大图像，显示光热层迅速吸收10个L1水滴。

　　图4.三维气凝胶层状结构的热管理策略。(A)2D SE和(B)3D SE的有效蒸发面积和对环境的能量损失。(C)3D气凝胶组装SE的结构分析。

　　图5. 新型太阳能蒸发器的性能评估(a) 太阳能蒸发器性能测试的实验装置图。(b) 在250至2500 nm波长范围内的光吸收效率。(c) 在1个太阳和2个太阳光照强度下的表面温度。(d) 在1个太阳和2个太阳光照强度下因蒸发导致的水分流失量。(e) 在1个太阳光照下不同曝光时间太阳能蒸发器的热成像图。(f) 在不同暴露高度下，水面和太阳能蒸发器的蒸发速率。(g) 太阳能蒸发器的实物照片及展示其内部盐离子和水传输路径的示意图。(h) 蒸发速率和能量效率的对比。

　　图6.水分子与C/SA/T-CuS气凝胶的相互作用。(A)微细棉纤维与水分子之间的氢键。(B)SA与水分子之间的氢键。(C)C/SA/T-CuS中水的拉曼位移在3,000-3,700 cm−范围内的拟合曲线。(D)C/SA/T-CuS和纯水的DSC曲线。(E)表面温度随辐照开启和关闭的变化曲线。(F)在单日照下不同盐分浓度下SE的蒸发速率。

　　图7.SE在净水中的能力和循环性。(A)处理前后水样中金属离子的浓度。(B)罗丹明B废水SE蒸发-冷凝处理前后水样的UV-Vis光谱，插图图像显示SE处理前后的水的数字照片。(C)酸性和碱性废水SE处理前后水样的pH值。(D)3.5wt%盐水溶液在1个太阳照射下处理100个循环的蒸发率。(E)在室外条件下对SE进行蒸发-冷凝测试。

　　图8.SE的发电量。(A)不同曝光高度下SE发电机的示意图。(B)在1太阳照射下，SE在不同曝光高度的开路电压曲线图。(C)在一次太阳照射下，在不同盐浓度下蒸发时SE的开路电压。(D)比较相关文献中报道的不同SE的蒸发速率和输出电压。(e，f)串联三个和五个SE的示意图。(G)在1太阳照射下串联的SE的开路电压。(H)研究东南太平洋蒸发过程的MD模拟。(I)蒸发过程中SE内部通道内的电荷分布情况。自由基分布函数图说明了Na+/ClCOOH与(J)-−和(K)C-OH的相互作用。(L)Na~+和Cl~+−的MSD图。

　　我们成功开发了一种新型的、基于生物质的三维气凝胶双功能太阳能蒸发器，用于从海水中高效生产淡水和电力。这种双层气凝胶太阳能界面蒸发器的制备工艺易于放大，适用于商业化生产。该蒸发器的内部超疏水气凝胶层为外部亲水蒸发层提供了浮力支撑和热绝缘。这种新型蒸发器表现出优异的快速光热响应和稳定的水蒸发性能。在1个太阳光照强度下，其对模拟海水的蒸发速率达到了3.87 kg·m⁻²·h⁻¹。此外，在太阳能蒸发海水过程中，蒸发器内部形成了盐离子浓度梯度，该梯度可被收集并用于发电。研究发现，影响发电的关键因素是水蒸发导致的外部亲水层内的水流速和离子浓度梯度。使用3.5 wt%的NaCl溶液时，该蒸发器在1个太阳光照下产生了高达222.6 mV的最大开路电压，从而同时实现了高效的水蒸发和发电。分子动力学模拟结果表明，棉纤维和海藻酸钠中的含氧官能团与Na⁺和Cl⁻离子之间的差异性相互作用，是形成流动电位的主要原因。这项研究推进了高性能太阳能蒸发器的设计和实际应用，为实现利用太阳能从海水中联产淡水和电力提供了新方案。

　　壳聚糖丨纤维素丨MOF材料丨石墨烯丨碳纳米管丨MXenes丨硫化钼丨催化材料丨蒸发材料丨吸附材料丨电极材料丨除磷材料丨产氢材料

　　2024年06月08日，国际期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”综述论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述壳聚糖基异相催化剂在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本综述概述了金属氧化物/壳聚糖基复合材料（）、金属硫化物/壳聚糖基复合材料（）、铋基半导体/壳聚糖基复合材料（）、金属有机框架/壳聚糖基复合材料（）和纳米零价金属/壳聚糖基复合材料（）等5种材料的制备策略及作为助催化剂、光催化剂、类芬顿试剂在处理各类废水中的应用进展。该综述不仅加深了对环境功能材料与环境污染控制作用的理解，也为未来Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和还原金属离子等相关领域的研究提供了参考和启示。该论文自2024年6月发表以来，现已被引用42次（Web of Science），2025年5月入选ESI高被引论文。

　　2024 年 1 月，国际期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊发表了阳光净水课题组题为 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的综述性论文。更清洁、更安全的环境是未来最重要的要求之一。与传统材料相比，壳聚糖具有丰富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和亲水性，是一种更环保的功能材料。由于壳聚糖分子链上丰富的 -NH2 和 -OH 基团可以有效地与各种金属离子螯合，壳聚糖基材料作为金属氧化物纳米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撑基质具有巨大的潜力。近年来，许多壳聚糖 / 金属氧化物纳米材料（ CS/MONM ）作为吸附剂、光催化剂、非均相类芬顿试剂和传感器，在环境修复和监测中具有潜在和实际的应用。本综述全面分析和总结了CS/MONMs复合材料的最新进展，这将为CS/MONMs复合材料的制备和废水处理应用提供丰富而有意义的信息，并有助于研究人员更好地了解CS/MONMs复合材料在环境修复与监测中的潜力。该论文自 2024 年 1 月线上发表以来，现已被引用59 次（ Web of Science ），国际引用占比55.0%。

　　2024 年 2 月，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了阳光净水课题组题为 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的综述性论文。污染物检测和水净化对于实现环境保护和资源利用非常重要。构建新型功能材料去除各种污染物也变得越来越重要和紧迫。本综述总结了磁性壳聚糖（M-CSbMs）的3种可靠制备策略（原位策略、两步策略和沉积后策略），并详细介绍了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金属离子、有机染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低浓度污染物等方面的研究进展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面临的挑战和前景，以期促进其在水净化和固相萃取污染物方面的实际应用。该论文自 2024 年 2 月发表以来，现已被引用 42 次（ Web of Science ）。