蒸發材料0703丨西北師范大學CEJ論文：通過結構工程設計構建用于海水淡化和水處理的高性能水凝膠-木材太陽能蒸發器

2025年，國際期刊《Chemical Engineering Journal》在線發表了“Construction of high-performance hydrogel-wood solar evaporator for desalination and water treatment through structural engineering design”的研究性論文。該文通過結構工程設計，構建了高性能水凝膠-木材復合太陽能蒸發器，用于海水淡化和水處理。核心敘事圍繞“結構設計—協同機制—蒸發性能”展開，將天然木材的垂直多孔通道、聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠層以及中空聚吡咯（PPy）納米管光熱層三者有機結合，形成“本體水-毛細力-滲透壓-蒸汽”雙驅動力模型，系統闡釋了水傳輸路徑優化、光熱管理增強與抗鹽性能提升之間的協同關系，并給出了在模擬海水、高濃度鹽水、酸堿溶液及含油廢水等多污染物情境下的關鍵作用機制與代表性性能數據（蒸發速率2.31 kg m?2 h?1，能量轉換效率97.24%，20 wt%鹽水中6小時無鹽結晶）。《Chemical Engineering Journal》是Elsevier旗下期刊，該期刊2025-2026最新影響因子為15.1，主要刊登化學工程與環境工程領域的前沿研究成果，包括先進材料、界面過程、可持續技術等方向，屬于中科院工程技術1區Top期刊。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167095

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淡水短缺對全球可持續發展構成了重大挑戰。太陽能驅動界面蒸發（SDIE）技術因其環境友好和低成本而受到關注，但其面臨材料成本和鹽結晶堵塞等瓶頸。在本工作中，選擇天然木材（NW）——一種具有可再生特性和高成本效益的生物質材料——作為基底材料，并通過蒸發器的調控與設計，在木材的孔道結構上負載了薄層聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠。此外，通過噴涂技術引入中空聚吡咯（PPy）納米管作為光熱轉換材料，構建了水凝膠-木材復合太陽能蒸發器（PWP）?；谀静牡亩嗫状怪蓖ǖ琅c水凝膠層之間的協同機制，形成了“本體水-毛細力-滲透壓-蒸汽”的雙驅動力模型，以優化水傳輸路徑。此外，中空PPy納米管形成的網絡結構不僅通過多重反射機制增強光捕獲，還減少了熱損失，實現了高達97.8%的光吸收。憑借優化水傳輸路徑的雙驅動力以及出色的光捕獲能力，PWP蒸發器在一個太陽光照射下實現了優異的蒸發速率（2.31 kg m?2 h?1）和能量轉換效率（97.24%）。此外，PWP蒸發器表現出顯著的抗鹽積累能力。即使在20 wt% NaCl溶液中持續蒸發6小時，也未觀察到明顯的鹽晶體沉積。同時，PWP蒸發器已證明能在惡劣環境中穩定運行，這為開發經濟高效、高性能的木材基蒸發器開辟了有前景的途徑。

隨著全球人口的持續增長和環境污染的日益加劇，淡水短缺已成為亟待解決的全球性挑戰。傳統的海水淡化技術（如反滲透和多級閃蒸）雖已廣泛應用，但其設備制造成本高、整體能耗巨大，限制了其大規模推廣。太陽能驅動界面蒸發（SDIE）技術因其零碳排放、低成本和可持續性，在海水淡化和廢水處理領域展現出巨大潛力。近年來，研究者們通過優化光熱轉換材料、熱管理、水傳輸路徑以及水分子活化狀態等策略，在高效太陽能蒸發器的設計上取得了顯著進展。其中，基底材料的選擇尤為關鍵，它不僅作為吸光物質的支撐介質，還承擔著系統內的熱絕緣和水傳輸的重要功能。天然木材作為一種可再生、低成本、環境友好的生物質材料，因其具有垂直排列的孔道結構、高孔隙率、低熱導率和良好的機械性能，成為理想的蒸發器基底候選材料。然而，木材基蒸發器在實際應用中面臨鹽積累導致孔道堵塞、蒸發效率下降和長期穩定性不足等瓶頸。同時，現有研究多將水凝膠填充于木材孔道中，依賴滲透壓差進行水傳輸，但這種方法難以在水凝膠內部產生有效對流，阻礙鹽離子快速向下遷移，導致凝膠脫水收縮、結構失穩甚至分層，嚴重制約了蒸發器的綜合性能。因此，如何通過合理的結構設計與工程策略，實現水凝膠與木材的協同增效，在保持強水傳輸能力和抗鹽性能的同時進一步降低蒸發焓，成為推動SDIE技術可持續發展的關鍵科學問題。

• 構建水凝膠-木材復合太陽能蒸發器，為開發高性能蒸發器提供了一條有效途徑。

• 這種復合設計克服了單一材料體系的局限性。

• 開發了一種雙驅動力模型，以優化水傳輸路徑。

• 所制備的蒸發器實現了優異的蒸發速率（2.31 kg m?2 h?1）和能量轉換效率（97.24%）。

  
  

圖1. PWP 蒸發器的制備工藝流程圖。

圖2. (a)納米線(NW)、(b)雙壁碳納米管(WS)及(c)多壁碳納米管(PW)的掃描電鏡側視圖；(d–g)不同放大倍數下聚苯并芘(PWP)的掃描電鏡俯視圖；(h)聚吡咯(PPy)的掃描電鏡圖像；(i)聚吡咯的透射電子顯微鏡圖像；(j)聚吡咯、PW及NW的傅里葉變換紅外光譜；(k)納米線、WS及PW的高分辨率C1s譜圖；(l) XPS 譜圖。

圖3。(a) PWP 經超聲處理前后的光學圖像；(b)在40%應變條件下進行的5次循環壓縮試驗；(c)納米線與 PWP 的水接觸角圖像；(d)不同聚吡咯濃度下 PWP 的光吸收光譜；(e)光多次反射示意圖；(f) PWP 的紅外熱像圖；(g) PWP 、聚乙烯醇及純水的溫度變化曲線；(h)不同輻照強度下 PWP 的溫度變化曲線；(i) PWP 與純水的熱導率。

圖4。(a)裝置示意圖。(b)WSP、 PWP 及純水的質量隨時間變化曲線。(c)雙驅動作用力機制示意圖。(d)純水與 PWP 蒸發器的DSC曲線。(e)水的拉曼光譜。(f) PWP 中水的拉曼光譜。(g) PWP 中水分子狀態示意圖。(h)不同太陽輻照強度下 PWP 的蒸發速率。

圖5. (a) 不同濃度氯化鈉溶液中 PWP 的蒸發速率及能量轉換效率；(b) 經過10次循環實驗的 PWP ；(c) 連續蒸發6小時期間WSP和 PWP 蒸發器表面的光學圖像；(d) 光照條件下 PWP 表面鹽溶解過程的光學圖像；(e) PWP 蒸發器性能與其他木質基蒸發器的比較；(f) 四種主要離子濃度變化；(g) PWP 在不同水環境中隨時間變化的質量曲線；(h) 抗油性示意圖；(i) RhB與(j) Mo染料溶液及其對應的冷凝液紫外-可見光譜（插圖顯示染料溶液及收集冷凝液的光學圖像）；(k) 自然陽光下戶外蒸發收集裝置的光學圖像；(l) 戶外實驗中的太陽輻射強度、環境溫度、蒸發器表面溫度及蒸發速率；(m) 海水樣品蒸發前后的四種主要離子濃度變化。

在本工作中，針對木材基蒸發器的鹽積累問題，通過合理的結構設計策略構建了一種水凝膠-木材復合太陽能蒸發器，以實現水凝膠和木材的協同效應。以天然木材為基底材料，通過在木材孔道結構上負載薄層聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠，并利用噴涂技術引入中空聚吡咯（PPy）納米管作為光熱轉換材料，構建了PWP太陽能蒸發器?；谀静牡亩嗫状怪蓖ǖ琅c水凝膠層之間的協同機制，形成了“本體水-毛細力-滲透壓-蒸汽”的雙驅動力模型，實現了水傳輸路徑的優化。中空PPy納米管形成的網絡結構不僅通過多重反射機制增強光捕獲，還減少了熱損失，實現了高達97.8%的光吸收。同時，通過雙驅動力調節優化水傳輸路徑，并結合出色的光捕獲能力，PWP蒸發器實現了優異的蒸發速率（2.31 kg m?2 h?1）和能量轉換效率（97.24%）。此外，PWP蒸發器具有優異的耐鹽性，即使在20 wt% NaCl溶液中連續蒸發6小時后，也未觀察到鹽晶體沉淀。這項工作為木材基太陽能蒸發器的優化設計和長期穩定運行提供了創新思路，對于推動綠色、低碳、經濟、高效的SDIE技術的發展具有重要意義。

Sun, Y.Q., Zhuo, M., Yuan, X., Chen, W.X., Zhang, J., Liu, W.M., Li, J. Construction of high-performance hydrogel-wood solar evaporator for desalination and water treatment through structural engineering design. Chemical Engineering Journal, 525 (2025) 167095. https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167095

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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。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55次（Web of Science），國際引用占比73%，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- ） MoS 2 基材料（ MoS 2 bMats ）提高廢水處理和水凈化的有效改性策略，并重點闡述了 MoS 2 bMats 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31 次（ Web of Science ）。

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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69 次（ Web of Science ），國際引用占比65.0%。

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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 51 次（ Web of Science ）。

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