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蒸发材料0604丨南京林业大学CEJ论文:仿生、坚固的木质太阳能蒸发器,具有鳞片状表面,用于高效太阳能驱动的水净化及热电发电

2026-07-10 14:33:07

2025年，国际期刊《Chemical Engineering Journal》（CEJ）在线发表了题为“Bioinspired, robust wood solar evaporator with scale-like surfaces for efficient solar-driven water purification and thermoelectric generation”的研究论文。该研究创新性地受生物鳞片状结构启发，设计并制备了一种具有仿生鳞片表面的木质水凝胶蒸发器（SCDBW）。通过将亲水性海藻酸钠（SA）水凝胶浸渍到脱木质素轻木中，并结合原位聚合技术，在表面构建了聚吡咯（PPy）微纳鳞片结构。该多层次多孔结构协同毛细管效应，使蒸发器在280-2500 nm全太阳光谱范围内实现了94.8% 的光吸收率。在1太阳光照下，该蒸发器在纯水中实现了2.03 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发速率和92.4% 的太阳能-蒸汽转换效率。此外，该蒸发器在20 wt%高浓度盐水中连续运行14小时无盐结晶析出，并表现出优异的抗油污性能，对多种油水乳液的分离效率均超过96%。当与热电模块集成时，该系统在1太阳光照下实现了1.51 W·m⁻²的稳定功率输出，并成功将淡化水用于黑麦草种子灌溉，验证了其“海水淡化-热电-灌溉”一体化应用的可行性。《Chemical Engineering Journal》是爱思唯尔（Elsevier）旗下知名期刊，在化学工程与环境材料领域具有重要影响力。该研究为高性能仿生太阳能界面蒸发器的设计提供了新的思路，尤其是在仿生表面工程、降低水蒸发焓、协同实现海水淡化与热电发电方面具有显著创新性。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165196

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木材基蒸发器因其资源丰富、成本低廉、可生物降解、具有分级多孔结构、低热导率和固有的亲水性，在太阳能蒸汽生成领域引起了广泛关注。尽管有这些优点，但蒸发速率低、界面强度弱以及制备成本高等挑战限制了它们的实际应用。受生物鳞片状结构的启发，通过将亲水性海藻酸钠（SA）水凝胶浸渍到脱木质素木材中，然后用鳞片状结构的聚吡咯（PPy）进行修饰，开发了一种坚固的木材蒸发器。所得到的多层多孔和鳞片状结构，结合毛细管效应，增强了光吸收（94.8%），促进了有效的蒸汽扩散，并降低了水的蒸发焓。因此，该蒸发器在一个太阳光照下实现了2.03 kg m⁻² h⁻¹的优异蒸发速率和92.4%的太阳能-蒸汽转换效率，优于大多数现有木材基蒸发器。实验和模拟结果表明，SA水凝胶和PPy微纳鳞片具有强水合能力，通过降低蒸发界面附近水分子的氢键密度，降低了等效蒸发焓。此外，该蒸发器表现出优异的机械性能，这主要归因于纤维素原纤维与SA和PPy链之间强大的界面氢键。该蒸发器还具有高耐盐性和抗油污性能，确保了长期稳定运行用于水净化。当与热电模块集成时，该系统在1个太阳光照下实现了1.51 W m⁻²的稳定功率输出。这项工作不仅为高效太阳能蒸汽生成提供了一种新策略，而且为仿生一体化"海水淡化-热电-发电-灌溉"平台建立了概念验证。

随着全球人口持续增长和气候变化加剧，清洁饮用水短缺已成为世界范围内亟待解决的重要挑战，预计到2050年，全球将有17亿至24亿城市居民面临缺水问题。发展基于海水的高效、节能淡水生产技术是应对这一难题的关键突破口。近年来，太阳能界面蒸发技术因其环境友好、操作简便、能耗低等优势受到广泛关注，被视为解决水资源短缺的可行方案之一。然而，现有太阳能界面蒸发系统的蒸发效率仍面临瓶颈，主要原因包括：热质传递不足、水的固有高汽化焓带来的热力学限制，以及盐分管理问题。尽管金属纳米结构、无机半导体、碳基材料和聚合物材料在光热转换方面已有广泛研究，但仍存在吸收带宽、吸收率和稳定性等方面的不足。与此同时，界面蒸发依赖于持续稳定的供水和盐分迁移，界面局部干燥或盐结晶堵塞会不断降低蒸发通量和材料稳定性。因此，如何协同提升光吸收能力、降低水的等效汽化焓、优化供水和盐分管理，是当前提高蒸发效率的核心难题。

1、制备了具有高稳定性和鳞片状结构的三维木质蒸发器。
2、该蒸发器在1倍太阳光照射下实现了92.4%的能量转换效率和2.03 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发速率。
3、该蒸发器表现出优异的耐盐性和防污能力。
4、该蒸发器对油水乳液的分离通量达到268.74 L·m⁻²·h⁻¹，分离效率达到99.76%。
5、集成的太阳能蒸发系统在1倍太阳光照射下实现了1.51 W·m⁻²的稳定功率输出。

图1.SCDBW 水凝胶作为多功能木材蒸发器的示意图。

图2.(a)BW与 DBW 的结构示意图及组成；(b)BW、(c) DBW 、(d) CDBW 和 SCDBW 的外观及扫描电子显微镜（SEM）图像（分别展示俯视图与侧视图）。

图3.(a)BW、 DBW 、 CDBW 和 SCDBW 的FT-IR光谱；(b) XPS 光谱；(c)BW、 DBW 、 CDBW 和 SCDBW 的C1s光谱；(d)O1s光谱；(e) SCDBW 的C1s高分辨率 XPS 光谱；(f) SCDBW 的N1s高分辨率 XPS 光谱；(g)BW、 DBW 、 CDBW 和 SCDBW 的水接触角（WCA）随时间变化曲线；(h) DBW 和 CDBW 的拉伸应力-应变曲线；(i)SA聚合物与纤维素分子链间氢键作用示意图。

图4.(a) FCDBW 和 SCDBW 表面反射光线的示意图。(b)不同样品的紫外-可见- NIR 光谱。(c)不同样品在1小时太阳光照下的表面温度变化。(d)不同样品在1小时太阳光照下的太阳能蒸汽生成量。(e)不同样品的水蒸发速率及能效。(f)本研究制备的蒸汽发生器与已报道其他成果相比的水蒸发速率及能效对比汇总。(g) SCDBW 在不同太阳光照强度下随时间变化的水量变化曲线。(h) SCDBW 连续10小时蒸发过程中蒸发速率的变化趋势。(i) SCDBW 的蒸汽生成机制。

图5.(a)受限于 SCDBW 中的水的拉曼位移。(b) SCDBW 中水的差示扫描量热法（DSC）测量结果。(c)水的蒸发焓值 CDBW 、 FCDBW 和 SCDBW 。(d)纯水表面、(e) DBW 表面及(f) SCDBW 表面在0、3000和5000 τ温度下的水分流失瞬时图像。(d)体相水、(h) DBW 和(i) SCDBW 在蒸发过程中氢键数量的变化情况。

图6.在不同(a)pH值和(b)盐度条件下进行的耐久性测试。(c) SCDBW 在单一太阳辐射下14小时内实现太阳能脱盐的过程。(d)显示盐溶解现象及盐排斥特性的数码照片。(e)盐水交换示意图。(f)实验室自制净水装置结构示意图。(g)09:00至16:00测试期间每小时太阳辐射强度与水量变化记录。(h)使用 SCDBW 蒸发前后水中MB和RhB的紫外-可见吸收光谱及数码图像。(i)模拟海水脱盐前后的四种主要离子浓度。

图7.(a)蒸发器表现出优异的水下超疏油性能，对多种油类的水下接触角均为150◦。(b)数码照片显示油滴从 SCDBW 表面逸出。(c)示意图展示了该蒸发器卓越的抗油粘附特性。(d)日光照射下水包油乳液的质量变化。(e)不同乳液中 SCDBW 的分离通量及总有机碳（TOC）含量。(f) SCDBW 对不同乳液的分离效率。(g) SCDBW 分离K/W乳液前后的动态光散射（DLS）分析结果；插图为对应显微图像（插图为照片）。 (h) SCDBW 对K/W乳液的循环分离通量。(i) SCDBW 分离油/水乳液的作用机理。

图8. (a) 集成器件蒸发示意图及热电模块作用机制示意图；(b) 开路电压；(c) 短路电流；(d) 不同光照强度下集成器件的功率密度；(e) 在1 kW·m⁻²辐照度下，太阳能驱动脱盐过程中各类发电器件的蒸发速率与功率密度对比；(f) 单一光照强度下集成器件的循环光响应特性；(g) SCDBW 凝胶在去离子水及含3.5 wt%氯化钠的盐水中于1次日照下的电压输出；(h) 盐水中串联 SCDBW 凝胶组件的电压输出；(i) 使用该集成装置进行7天海水淡化过程中的集水量；(j) 日常收集的净化水对黑麦草种子的生长及(k)萌发情况。

总之，受生物鳞片状结构的启发，通过一种简便且成本有效的策略，开发了一种具有亲水性SA和PPy修饰鳞片状结构的木材基蒸发器，用于海水淡化、水包油乳液分离和蒸汽-电联产。得益于多尺度多孔结构和PPy的鳞片状阵列，该蒸发器具有高光吸收率（94.8%）、优异的光热转换、快速供水速率、扩大的蒸发面积和低水蒸发焓。这些特性使蒸发器实现了2.03 kg m⁻² h⁻¹的高蒸发速率和92.4%的光热转换效率。此外，该蒸发器表现出优异的防污和抗盐性能，在处理含油废水和海水时，实现了高效的水包油乳液分离和海水淡化性能。当与热电发电集成时，在1个太阳光照下实现了79.3 mV的电压输出。可以预见，这种仿生SCDBW在太阳能海水淡化、废水处理和发电等一系列应用中将显示出巨大潜力。

Ma, W., Nie, Y., Cao, W., Fan, Q., Wen, J., Zhang, Y., Xiong, R., & Huang, C. (2025). Bioinspired, robust wood solar evaporator with scale-like surfaces for efficient solar-driven water purification and thermoelectric generation. Chemical Engineering Journal, 519, 165196. https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.165196.

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资料整理：雷幸悦（阳光净水）

编辑：环境与能源功能材料

雷幸悦（阳光净水课题组）

【资料整理】雷幸悦：资源与环境硕士研究生。

阳光净水课题组：主要研究方向为生物质基环境功能材料、太阳能蒸发材料、磁性吸附材料、污染物吸附和环境催化反应机理。课题组主页：

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

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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。