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蒸发材料0421丨南京林业大学/新加坡国立大学CPB论文丨可扩展的竹废料太阳能蒸发器,用于低成本且可持续的海水淡化

2026-05-23 04:28:19

2026年3月，国际期刊《Composites Part B》在线发表了台州学院阳光净水课题组题为“Scalable bamboo-waste solar evaporators for low-cost and sustainable desalination”的研究性论文。本文阐述了壳聚糖基混合基质膜（MMMs）用于废水多污染物协同治理”，核心叙事不是单点材料性能，而是用“结构—机制—性能”把不同杂化策略（氧化物/碳材料/MOF/聚合物等）统一到一条可比较、可复用、可工程化的逻辑链条中，并给出多污染物情境下的关键作用机制（静电、配位络合、π–π等）与代表性高性能案例。《International Journal of Biological Macromolecules》是Elsevier旗下期刊，该期刊2025-2026最新影响因子为8.5，主要刊登天然生物大分子领域（包括结构、性质、相互作用、化学/生物改性、功能性质等）的研究成果，属于中科院生化与分子生物学2区、小类高分子科学2区期刊。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.113300

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全球淡水资源短缺亟需可持续的水净化解决方案‌。太阳能驱动蒸发技术虽在分布式清洁水供应方面前景广阔，但其应用受限于高成本、耐久性差和规模化困难。本文通过常温下催化辅助激光石墨化（C-LG）技术，原位构建连续石墨烯薄膜，将竹废料升级为耐用、低成本、米级太阳能蒸发器，显著简化制备工艺，并突破了生物质基蒸发器的光热性能瓶颈。利用竹子天然中空结构与创新的中空交替设计，实验室规模蒸发器实现了增强的蒸汽对流，消除“死区”，促进溶液扩散以防止盐分积累，性能优于已报道的同类生物质蒸发器，并在高盐度东海海水中持续稳定产水超过180天。为实现大规模应用，米级模块被集成至太阳能驱动的淡化-种植平台，支持块茎、豆类和谷物作物的全周期种植，技术经济性能创纪录地超过3000 g·h⁻¹·$⁻¹。生命周期评估进一步显示，相比传统淡化系统，其二氧化碳当量排放减少逾百倍。这一受自然启发、可实地部署的蒸发器构建了低成本、低碳的太阳能-水-粮食 nexus，直接推动实现全球气候韧性与可持续发展目标。

在全球范围内，淡水短缺危机正随着气候条件的持续变化、人口总量的不断攀升以及农业生产用水需求的日益增长而愈发严峻。太阳能界面蒸发技术凭借其清洁无污染、碳排放低的显著优势，逐渐成为水资源领域的研究焦点。然而，当前主流的蒸发器大多以人工合成材料为核心制备原料，不仅生产成本居高不下，废弃后还难以自然降解，极易引发环境负担；更关键的是，当该技术走向规模化应用时，设备内部极易形成蒸汽“死区”，大幅削弱蒸发效率。

与此同时，生物质材料虽具备天然多孔结构、原料来源广泛且成本低廉等特质，但其表面对光线的反射率较高，光热转换效率难以突破瓶颈，这一短板严重限制了它在太阳能蒸发技术体系中的进一步推广与应用。

废弃竹材的高值化转化：研究以竹子加工中常被弃置的上部残材为原料，通过催化剂辅助激光石墨化技术，在常温常压条件下于竹材表面原位生成多孔石墨烯薄膜。这一改性处理将材料的光吸收率提升至95%，且制备流程简便、成本低廉，实现了废弃竹材的“变废为宝”。

创新结构破解规模化瓶颈：研发团队设计了“空心交替”蜂窝状结构，通过竹单元的有序排列强化蒸汽对流效应，彻底消除蒸汽“死区”，大幅提升蒸发效率。同时，该结构可促进盐分横向扩散，从根源上解决蒸发器表面积盐问题，为规模化应用扫清障碍。

长效稳定的高性能表现：基于上述技术制备的米级蒸发器，蒸发速率可达2.07 kg·m⁻²·h⁻¹。在高盐度东海海水中连续运行180天，设备性能未出现明显衰减，产出淡水的各项指标均符合国际饮用水标准，展现出优异的稳定性与耐用性。

构建“水—粮”联产闭环系统：将该蒸发器与农业种植平台集成，搭建起太阳能驱动的“淡水—粮食”联产系统。利用淡化产出的清洁水，成功实现小麦、豆类等多种作物的全周期培育，形成了从海水淡化到作物种植的闭环生产模式。

环保与经济价值兼具：全生命周期评估结果显示，该技术的二氧化碳排放量较传统海水淡化系统降低100倍以上；其成本效益比超过3000 g·h⁻¹·＄⁻¹，在技术经济性上表现突出，具备极强的规模化推广潜力。

先将竹材置于单宁酸-铁盐混合溶液中浸泡，使其表面形成均匀分布的催化涂层；随后采用CO₂激光对竹材表面进行辐照，激光能量可触发竹材表层有机组分同步发生碳化与石墨化反应，最终生成具备光热转换功能的多孔石墨烯层。竹材原生的空心结构与维管网络为水分传输提供了天然高效通道，再结合“空心交替”的模块化排列设计，可同时实现蒸汽的快速逸散与盐分的及时迁移，从结构层面保障蒸发过程的高效稳定。

‌ 图1. 通过C-LG工艺制备竹废料太阳能蒸发器的过程。

图2. (a) 分级三维多孔石墨烯薄膜。(b) 稳定的流体传输通道。(c) 双峰多孔结构诱导侧向盐水扩散与浓缩。(d) 实时水力传输性能的数字图像与模拟结果。

图3. (a) RB、LGB和C-LGB的拉曼光谱，(b) 傅里叶变换红外光谱（FTIR），(c) X射线光电子能谱（XPS），以及(d) X射线衍射光谱（XRD）。(e) 沿C-LGB剖面的分析区域。(f) (e)中从上到下各分析区域对应的拉曼光谱。(g) 石墨烯薄膜结构的光学图像及相应的拉曼面扫图（ROI：每个1.5 × 1.5 μm²），(h) D峰、(i) G峰和(j) 2D峰。(k) 紫外-可见-近红外（UV–vis–NIR）光谱。(m) 在1个太阳光照下的实时表面温度，以及(n) 红外热成像图。

‌图4.‌ (a) 纯水、RB、LGB 和 C-LGB 的水分蒸发随时间的质量变化。(b) 纯水、RB、LGB 和 C-LGB 的蒸发速率。(c) 与此前报道的碳基或生物基太阳能蒸发器相比，蒸发速率和能量转换效率的对比。(d) C-LGB 在不同光照强度下的蒸发速率，(f) 光学照片及红外热成像图。(e) 蒸发焓的降低。(g) C-LGB 表面以上对流的模拟结果。

图5. Density_array（a）和Hollow_alternate（b）表面以上对流的模拟结果。（c）60分钟内水分质量变化及其数学模拟结果。（d）24小时内蒸发水量及其数学模拟结果。Density_array（e）和Hollow_alternate（f）的排盐性能与作用机制。

图6. (a) Hollow_alternate在不同盐溶液中的蒸发速率，插图显示10小时后的表面情况。(b) 四种主要离子的实测浓度，插图展示使用Hollow_alternate进行太阳能蒸汽生成前后长江水的浊度变化。(c) 使用Hollow_alternate前后长江水的水质情况。(d) 太阳能淡化-农业集成系统及小麦全周期种植示意图。(e) 竹废料蒸发器在东海连续180天的蒸发性能，插图显示第1、45、90、135和180个循环的水质量变化。(f) 竹废料蒸发器与JW、AE和PV-RO相比的环境影响。(g) 六项指标综合价值的对比，评分标准详见补充表S11。(h) C-LGB与已报道的太阳能蒸发器和太阳能蒸馏器的经济技术分析。(i) 示意图展示零饥饿（SDG 2）、清洁饮水（SDG 6）和气候行动（SDG 13）在可持续发展目标中的重要性。

全球向可持续水基础设施转型需要高效、可扩展且适用于资源受限地区的去中心化、低碳技术‌。本研究通过升级通常被丢弃的竹子上部来提升其可持续性与价值，并利用一步法C-LG策略将其转化为高性能太阳能蒸发器。Fe-单宁酸配位复合物不仅在常温下促进多孔石墨烯薄膜的原位形成，还显著降低了碳化的能量阈值，从而获得宽带光吸收率达95%的高吸收表面，为突破传统生物质基太阳能蒸发器的光热性能限制提供了环保制备路径。此外，创新的中空交替结构直接解决了太阳能蒸发器放大过程中的关键挑战——面积增加通常因蒸汽积聚而导致蒸发性能下降。通过引入均匀分布的中空区域以促进对流性蒸汽排出和横向盐分传输，实现了‌2.07 kg·m⁻²·h⁻¹‌的高蒸发速率，同时材料使用量减少‌16.7%‌，据我们所知，这是米级太阳能蒸发器中报道的最高效率之一。通过调控结构而非化学成分，该设计为大规模太阳能蒸发系统提供了一种通用且可扩展的设计原则。此外，生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）进一步证实了该方法在环境与经济上的优势。本研究为设计下一代蒸发器提供了重要启示，可在提升性能的同时兼顾可持续性与可负担性，为清洁水与粮食生产提供切实解决方案，支持气候韧性及联合国可持续发展目标，即SDG 2零饥饿、SDG 6清洁水和SDG 13气候行动。

Xu, H., Wang, S., Chen, M., Xu, X., & Li, B. (2025). Scalable Bamboo-Waste Solar Evaporators for Low-Cost and Sustainable Desalination. Composites Part B, DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.113300

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资料整理与翻译：阳光净水

编辑：环境与能源功能材料

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

2025年9月，国际TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表了阳光净水课题组题为“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的综述性论文。根据Web of Science检索，这是国际上首篇全面论述多功能和可持续壳聚糖基界面蒸发材料在废水处理和水净化中应用的综述性论文。本文总结了壳聚糖基太阳能界面蒸发器（CS-SIE）四种类型（水凝胶、气凝胶、海绵和膜）、五种改性材料和在水污染控制中应用。最后，总结了CS-SIEs在际应用中仍面临挑战。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化学改性及其在生物、环境、制药、食品等领域的工业应用，最新中科院分区：8.50/二区TOP期刊。

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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（MOs@CSbMs）、金属硫化物/壳聚糖基复合材料（MSs@CSbMs）、铋基半导体/壳聚糖基复合材料（BibSCs@CSbMs）、金属有机框架/壳聚糖基复合材料（MOFs@CSbMs）和纳米零价金属/壳聚糖基复合材料（NZVMs@CSbMs）等5种Cat@CSbMs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53次（Web of Science），国际引用占比73%，2025年5月起入选ESI高被引论文。