云南大学AM综述：光热海水淡化中的能量-质量传递：面向可持续性发展的多尺度创新与分布式水处理方案

作者

第一作者：王作亮

通讯作者：杨乃亮，万艳芬，杨鹏

通讯单位：云南大学、中国科学院过程工程研究所

论文DOI：10.1002/adma.202510796

原文链接： https://doi.org/10.1002/adma.202510796

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面对全球水资源短缺和碳中和目标带来的双重挑战，传统海水淡化技术因高能耗和集中式供水系统的固有局限性而难以满足需求。在此背景下，界面太阳能蒸汽蒸发（ISSE）技术凭借其高效的光热转换、零碳排放和模块化设计等优势，已成为缓解水资源时空分布不均问题的理想解决方案。尽管ISSE技术已发展数十年，但从基础研究到实际应用仍面临诸多挑战。需要指出的是，能量转换与质量传输是ISSE技术在多尺度层面的研究核心问题，无论是在材料设计还是系统组装层面，对这两个环节的优化都将提升ISSE全过程性能。该综述从能量与质量传递的视角，系统梳理了从材料选择、结构设计到系统集成的研究进展。热电转换、水氢联产与金属盐回收的成功集成，进一步提升了能量利用效率。此外，我们前瞻性地提出了离散水网络与ISSE技术协同运行的框架，通过人工智能赋能与模块化设计，最终形成"集水-净化-联产"三位一体的智能水循环系统。文末还对ISSE技术的未来发展提出了展望。

背景介绍

人类水资源管理已历经数千年发展。它始于早期文明沿河定居并挖掘沟渠，例如罗马渡槽和都江堰灌溉系统。工业革命后，集中式供水网络得以建立。在现代，膜分离和电化学技术取得了突破，所有这些都旨在解决水资源时空分布不均的问题。自20世纪以来，反渗透和多级闪蒸等海水淡化技术在缓解全球淡水危机方面发挥了关键作用（图1）。然而，它们的高能耗和基础设施成本限制了其广泛实施，特别是在偏远地区。根据世界卫生组织和联合国儿童基金会的联合监测计划，全球仍有22亿人无法获得安全饮用水。气候变化对水文循环的干扰，加上人口增长以及农业和工业污染的加剧，使水资源短缺成为21世纪最紧迫的全球性挑战之一。

在此背景下，界面太阳能蒸汽蒸发技术以其零碳排放、低能耗和模块化设计的特点，为可持续水资源管理提供了一种创新方法。该技术利用光热材料在气-液界面将太阳能转化为热能，驱动水的相变同时截留污染物，从而能够同时进行海水淡化、废水净化和资源回收。自Neumann团队于2012年首次提出光热界面蒸发的概念以来，ISSE技术发展迅速。到2025年，材料设计已从使用贵金属纳米颗粒发展到包含半导体异质结和生物质衍生的碳基复合材料，实现了全太阳光谱（250–2500 nm）的光谱吸收。先进的结构工程已将1倍太阳光照下的蒸发效率从理论极限的30%提高到90%以上。这一改进归因于仿生分级多孔网络、Janus不对称界面和3D蒸发器的设计。通过热电转换、潜热回收和多级冷凝系统，能量管理策略使水电联产效率超过80%。图2系统概述了ISSE历史发展中的关键里程碑。然而，ISSE系统从实验室研究向大规模应用过渡仍面临若干挑战。能量和质量传递的跨尺度耦合机制仍未解决，限制了蒸发效率的进一步提高。此外，蒸汽冷凝和淡水收集的效率对环境温度和湿度高度敏感，难以实现系统整体性能的持续优化。因此，通过创新的材料设计和系统集成来克服能量和质量传递中的"热-质矛盾"现象，同时建立一个高效、稳定且环境适应性强的ISSE技术框架，已成为当前研究的核心挑战。

本文系统阐述了界面太阳能蒸汽蒸发（ISSE）系统中能量与质量传递的协同机制，回顾了先进材料、结构工程及水收集技术的最新突破，并探索了其在海水淡化、污染物降解以及电力、氢气、盐等清洁资源联产方面的潜在应用。我们同时讨论了当前制约该技术进一步发展的关键挑战，并提出了可行的解决方案。此外，我们评估了ISSE系统在分布式水网络中的应用潜力，提出了集中式与分布式水系统协同运行的新策略。最后，我们展望了分布式水网络与多功能ISSE联产系统的未来发展方向。本文旨在从能量与质量传递的视角，为应对未来水资源短缺和支撑全球碳中和目标提供可行策略。

相关成果以“Energy–Mass Transfer in Photothermal Desalination: Multi‐Scale Innovations and Distributed Water Solutions toward Sustainability”为题发表在《Advanced Materials》上。（IF=26.8）

研究数据

图1. 人类利用与管理水资源的发展史示意图。

图2. 界面太阳能蒸汽蒸发（ISSE）技术发展史。

图3. 全球太阳能资源分布及其利用情况。（a）全球太阳辐射通量。（b）全球太阳能利用情况。（c）太阳能界面蒸发机制。

图4. ISSE系统中宏观与微观尺度能量和质量传递示意图。

图5. (a) 抑制热损失的新型太阳能水蒸发装置示意图。(b) 带IWS太阳能蒸发器的三维模型。(c) 向日型蒸发器示意图。(d) 基于蘑菇结构的热行为示意图。(e) PGE的吸收机制。(f) SDWE动态水闸操作示意图。(g) CMPs气凝胶合成示意图。(h) NHrG膜界面水分蒸发示意图。(i) 通过非晶态Ta₂O₅/C HoMS实现高效太阳能制蒸汽示意图。(j) DiSC系统的设计与对流抑制。(k) 分级烟囱的设计与制造。通过协同外部与内部烟囱效应增强太阳能蒸发。

图6. (a) 水分子与C/SA/T-CuS气凝胶的相互作用。(b) SCDBW的蒸汽生成机制。(c) 基于嵌入多孔-COFs的压电气凝胶的界面蒸发系统示意图，用于太阳能驱动水净化。(d) NGs与普通凝胶内水簇蒸发示意图。(e) 太阳能驱动水蒸发用不同三维蒸发器的示意图。(f) 磁纳米粒子蒸发器中薄水层形成的示意图。 (g) MoS₂/GO膜光热蒸发示意图。(h) CC-PPy阵列的蒸发机制。

图7. (a) 'V'型太阳能蒸发器照片。(b) 双室太阳能蒸馏器示意图。(c) 金字塔型蒸发器示意图。(d) 用于即用型直接一体化太阳能淡水生产的装置配置示意图。(e) 设计的低压太阳能蒸汽收集系统示意图。(f) 改进型太阳能蒸馏器的热电冷凝通道。(g) J-SSG蒸发器太阳能淡化系统示意图。(h) TMSS装置结构概念示意图。(i) 集成光伏-膜蒸馏-蒸发结晶器（PME）装置示意图。

图8. (a) 用于阻盐的聚电解质水凝胶泡沫（PHF）吸收器示意图。(b) （左）自再生太阳能蒸发器设计及（右）蒸发器中多向质量传递示意图。(c) 3GSR通过定向盐结晶实现高效太阳能蒸发和盐收集的示意图。(d) 具有3D微通道的光热/光催化系统实现原位VOCs截留的太阳能蒸馏示意图，用于清洁水生产。(e) Co-N-C介导的光降解总体机制。(f) 所开发的MCW蒸发器的工作机制及TC降解途径示意图。(g) GDY的C-18环结构及通过GDY-HoMS实现高效太阳能蒸汽生成过程的示意图。使用GDY-HoMS进行太阳能净化前后离子浓度对比。

图9. (a) 基于PCC海绵的协同界面光热水蒸发与热电发电过程示意图。(b) 说明ACPFG具备24小时连续发电和淡水生产能力的示意图。(c) 太阳能淡化和盐度差能提取混合系统示意图。(d) 水蒸发诱导IENG发电原理及发电性能。(e) CS蒸发器水电联产示意图。(f) 设计的PTC凝胶用于同步太阳能蒸发和制氢的示意图。(g) SVG-PC片材的器件构造和工作原理示意图。(h) 界面太阳能蒸汽生成-水电解实验装置示意图。(i) 具有两条平行水路径（I, II）的新设计蒸发器及其相应盐积累位置示意图。(j) 三维空间结晶过程及锂收集性能示意图。(k) STLES蒸发伴随锂提取示意图。

图10. 全球水资源短缺影响因素示意图。

图11. 离散分布式水网系统示意图。

图12. 白箱（固定分布网络）与黑箱（离散分布网络）模型示意图。

图13. (a) 便携式个人净水器。(b) 家居水循环系统。(c) 智能大棚。(d) 分布式净水器。(e) AI赋能水网络的示意图。

图14. AI赋能的ISSE系统框架示意图。

团对介绍

近几年，本团队一直致力于界面太阳能净水与清洁能源联产领域的研究。为突破传统海水淡化效率的瓶颈，创新设计多尺度集成结构——包括具备卓越热管理性能的3D杯状结构、实现热能回收的空间图案化结构，以及仿生多级蒸发系统——从而实现高效水分蒸发、潜热回收与同步水电联产。以下是本团队近年来在该领域的取得的系列成果：

1. 光-空间-热一体化三维太阳能蒸发器：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156826

2. 降低蒸发焓综述：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109434

3. 空间图案化结构回收热量损失：https://doi.org/10.1021/acsami.3c19577

4. 多级蒸发联产电力系统： https://doi.org/10.1002/smll.202302943

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143047

1. 太阳能蒸汽发电耦合可穿戴传感：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105700

2. 太阳能海水淡化协同热电发电：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.05.023

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104298

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