南京林业大学《自然·通讯》：新型光自适应太阳能蒸发器，实现高效可持续海水淡化

随着全球淡水资源日益紧张，水污染问题进一步加剧了淡水短缺的危机。尽管地球表面约96.5%为海水，但淡水仅占总水资源的2.53%。为缓解这一困境，多种海水淡化技术如反渗透和电渗析已被广泛应用。其中，太阳能驱动界面蒸发技术因其清洁、高效和操作简便等优势备受关注。然而，该技术在实际应用中仍面临一个关键挑战：如何在维持高蒸发速率的同时，有效解决盐分积累导致的蒸发器性能下降问题。

近日，南京林业大学蔡亚辉副教授、田丹教授和南京林业大学/北京林业大学李建章教授合作提出了一种基于光控动态水门控的太阳能蒸发系统，成功实现了高蒸发速率与自清洁排盐的平衡。该研究开发了一种由改性螺吡喃和低成本木材构成的光自适应蒸发器，通过光照变化触发螺吡喃分子结构的可逆转变，从而实现动态排盐。理论计算表明，螺吡喃与异构体部花青之间的亲水性差异是促进盐分去除的关键。该蒸发器采用双层设计，上层为光控层，下层为亲水层，不仅稳定了气液界面，还减少了热损失，显著提升了蒸发效率。实验证明，该蒸发器在长期运行中表现出稳定的排盐能力、高蒸发速率、良好的重复使用性以及抗污染性能，户外实验与水净化测试进一步验证了其在真实环境下的淡水生产能力。相关论文以“Light-adaptive interfacial solar steam evaporation enhanced by dynamic water gating”为题，发表在

Nature Communications

图1揭示了该光控动态水门控蒸发器的运行机制。与传统表面碳化木材蒸发器在毛细力和蒸发压力梯度作用下持续将盐水输送至表面导致盐结晶覆盖不同，PGE的光控层能根据光照条件自适应调节表面润湿性。当表面因盐覆盖而遮光时，智能涂层由疏水性的AOA-SP转变为亲水性的AOA-MC，促进盐离子回流；盐分清除后，在光照下涂层恢复为疏水状态，防止盐水再次覆盖表面，从而实现“覆盖-清洁”的循环自清洁过程。

图1 | PGE 的操作机制。 a. PGE通过AOA-SP（清洁状态）与AOA-MC（盐覆盖状态）的可逆切换涂层实现动态排盐。 b. CWE表面盐积累过程示意图。 c. PGE通过动态水门控增强排盐的机制。

图2展示了PGE的设计与制备过程。该蒸发器以碳纳米管修饰的木气凝胶为基础，通过涂覆AOA-SP乙醇溶液构建而成，形成具有光控上层和亲水下层的轻质双层结构。扫描电镜图像显示，木气凝胶保留了木材的多孔结构，表面和纵截面分布有丰富的微纳孔道，为水分输送提供了通道。PGE表面覆盖有颗粒状聚合物，纵截面则被碳纳米管覆盖，其表面形貌类似于荷叶结构。XPS与EDS分析证实了AOA-SP涂层在表面的均匀分布，FTIR与接触角测试进一步表明PGE表层呈疏水性，底层为亲水性，且具有较高的机械强度。

图2 | PGE 的设计与制备。 a. 智能涂层溶液及PGE的制备流程。 b. PGE的光学照片。 c, d. PGE横截面与纵截面的SEM图像，插图为高倍SEM图像。 e, f. 木材与PGE的AFM图像。 g. PGE的EDS元素分布图像。

图3对智能涂层AOA-SP的表面性质进行了详细表征。通过核磁共振与红外光谱分析，确认了AOA-SP的成功合成及其光响应特性。该涂层在可见光下呈疏水性，在黑暗或紫外光下转变为亲水性，且该转变可逆。紫外-可见光谱与拉曼光谱结果进一步证实，涂层在不同光照条件下结构与水合能力存在显著差异，黑暗条件下更易形成中间水，增强亲水性。

图3 | 智能涂层修饰蒸发器的表面性质。 a. PGE表面光控层的组成结构。 b. 智能涂层的SEM图像。 c. 智能涂层的EDS图像。 d. 智能涂层的光致变色特性及其在WA表面的应用。 e, f. AOA-SP与AOA-MC与水的相互作用示意图及对应的拉曼光谱。 g. 智能涂层的紫外-可见吸收光谱。

图4评估了PGE的蒸发与冷却性能。在模拟太阳光下，PGE对3.5 wt%盐水的蒸发速率高达2.71 kg m⁻² h⁻¹，显著高于传统木材蒸发器。经过12次循环使用后，其蒸发速率未出现明显下降，显示出良好的重复使用性。拉曼光谱与差示扫描量热分析表明，PGE中形成的大量中间水降低了蒸发焓，从而提高了蒸发效率。此外，PGE还可与热电发电机结合，实现水-电联产，最大功率密度达1.42 W m⁻²。

图4 | PGE的蒸发性能与水状态分析。 a. 蒸发实验示意图。 b. 不同样品在1个太阳光强下的质量变化。 c. PGE的蒸发速率循环稳定性，插图为第1次和第12次循环的质量变化。 d. PGE纤维素网络中的水状态示意图。 e, f. 纯水与PGE的拉曼光谱。 g. IW/FW比值比较。 h. 纯水、CWE与PGE的DSC高分辨率谱图。 i. 蒸发等效焓值比较，插图为暗蒸发实验装置示意图。

图5进一步研究了PGE的耐盐与抗污染性能。在高浓度盐水（20 wt% NaCl）中，PGE通过光控润湿性切换实现了表面盐晶的动态回流，8小时内蒸发速率保持在2.3 kg m⁻² h⁻¹，远高于传统蒸发器。量子化学计算表明，部花青结构比螺吡喃更易与水形成氢键，从而在黑暗条件下促进盐分溶解。此外，PGE表面对多种污染物（如酸、碱、油、染料）表现出良好的抗附着性能。

图5 | PGE₂的耐盐性能评估。 a-c. CWE与PGE₂在8小时内的耐盐照片与蒸发速率比较。 d. 光照与黑暗条件下CWE与PGE₂表面盐晶回流情况。 e. PGE₂在光暗条件下的润湿性切换示意图。 f, g. SP与MC分别与水分子的相互作用关系，右上角插图为它们与水相互作用的示意图。

图6分析了PGE的热管理机制与Marangoni效应。红外热成像显示PGE表面温度可达45°C，高于传统蒸发器，其光热转换涉及分子热振动与非辐射弛豫过程。表面与底部之间的温差超过14°C，引发了强烈的温度Marangoni流，进一步促进盐分回流。同时，表面盐浓度梯度也增强了溶质Marangoni流，协同提升排盐效率。

图6 | PGE₂的热管理与Marangoni效应分析。 a. PGE₂、CWE与纯水的蒸发示意图。 b. PGE₂、CWE与纯水的红外热成像图。 c. PGE₂的紫外-可见-近红外吸收光谱。 d. 分子热振动示意图。 e. 电子-空穴对产生与弛豫过程示意图。 f. PGE₂垂直通道中CNT对光的重复吸收示意图。 g, h. PGE₂与CWE的Marangoni流动对比示意图。

图7通过户外实验与水净化测试验证了PGE的实际应用潜力。在自然环境下，PGE的最高蒸发速率达2.6 kg m⁻² h⁻¹，与室内实验结果接近。30天的长期测试显示其蒸发性能稳定。经PGE处理的黄海水样中主要离子浓度降低了2–3个数量级，符合世界卫生组织饮用水标准。此外，智能涂层在七种不同生物质材料（如蘑菇、丝瓜、玉米芯等）表面均展现出良好的通用性与排盐效果。

图7 | 户外水净化与通用性耐盐评估。 a. 户外蒸发装置示意图。 b. 户外实验照片。 c. 户外蒸发速率与表面温度记录。 d. 多组PGE₂蒸发实验示意图。 e. 染料废水净化效率，插图为染料废水与净化后的水样对比。 f. 黄海水净化前后离子浓度对比。 g. AOA₁₄₀-SP₃涂层在七种生物质蒸发器上的排盐测试结果。 h. 高性能木材基蒸发器性能对比。

综上所述，本研究通过简单方法制备出一种光驱动自适应耐盐智能涂层，并基于此构建了具有高效蒸发、持久稳定与动态排盐能力的光控水门蒸发器。该蒸发器在盐分覆盖时能自动切换为亲水状态以实现盐回流，其排盐机制得到了理论计算的验证，并在多种生物质蒸发器上展现出良好的通用性。这一策略为设计长期高效运行的太阳能蒸发器提供了重要思路，推动了可持续水处理与海水淡化技术的发展。