蒸发材料1210丨东华大学IJBM论文：海藻酸钠集成的MXene沉积物/Fe₃O₄蒸发器用于耐盐高效连续水蒸发

蒸发材料

近日，国际期刊 《International Journal of Biological Macromolecules》 在线发表了题为 《Sodium alginate-integrated MXene sediment /Fe₃O₄ evaporator for salt-resistant and efficient continuous water e vaporation》 的研究性论文 。 该研究开发并系统评估了一种由废弃MXene沉积物、四氧化三铁、海藻酸钠和三聚氰胺泡沫构建的低成本复合三维太阳能蒸发器。通过将亲水性海藻酸钠与光热材料（MXene沉积物/Fe₃O₄）结合并负载于多孔三聚氰胺泡沫骨架，成功构建了具有连续供水通道和抗盐扩散结构的蒸发器。文章深入探讨了其制备过程、微观结构、光热转换机制、水传输行为、抗盐性及其在高效海水淡化和复杂废水处理中的性能。

分子动力学模拟结果进一步证实了海藻酸钠中亲水基团（-OH、-COO⁻）对水分子状态的调控，显著降低了蒸发焓（1776.5 J·g⁻¹），提升了蒸发效率。长期室外实验与盐沉积测试表明，该蒸发器在7小时连续运行中无盐结晶积累，具备良好的实际应用潜力。《International Journal of Biological Macromolecules》是生物大材料与绿色能源交叉领域的重要期刊，在生物基材料、界面工程与环境应用方面具有广泛影响力。

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太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）已成为缓解淡水危机的可行方法，因为它能有效利用绿色环保的太阳能等优势。然而，在大规模海水淡化中，实现成本效益、耐盐性和运行稳定性仍然是蒸发器技术面临的主要挑战。本研究采用天然多糖海藻酸钠（SA）包覆低成本的MXene沉积物（MS）和Fe₃O₄纳米颗粒，并通过简单的浸泡方法将其负载到三聚氰胺泡沫（MF）基底上，制备了一种低成本、耐盐、高效的太阳能蒸发器。所得Fe₃O₄/SA/MS/MF（FSMM）蒸发器能够实现连续的海水净化。得益于MF的骨架结构和孔隙率，FSMM表现出优异的亲水性、耐盐性和抗收缩性。在一个太阳光强照射下，蒸发速率达到2.26 kg·m⁻²·h⁻¹；即使在15 wt%的NaCl溶液中，仍能保持1.94 kg·m⁻²·h⁻¹的相对较高蒸发速率 。 此外，FSMM可应用于多种环境，例如含有染料废水和酸碱废水的环境。因此，本研究充分利用了MS和Fe₃O₄的低成本以及SA的亲水性，为解决蒸发器遇到的盐积累等挑战提出了一个切实可行的方案。

面对全球人口增长与气候变化加剧的淡水资源危机，海水淡化成为关键出路，但传统技术如反渗透能耗巨大、成本高昂，难以可持续推广。太阳能界面蒸发技术以其绿色、低成本的特性成为研究热点，但其迈向大规模应用仍受制于两个核心瓶颈：一是蒸发器在长期运行中普遍面临的盐分结晶堵塞问题；二是高性能光热材料（如纯相MXene）的制备成本过高。针对这些挑战，本研究提出了一种创新的材料与结构协同设计策略：我们巧妙地回收利用MXene蚀刻过程中通常被废弃的下层沉积物，这种沉积物含有未反应的前驱体与多层MXene碎片，仍保留良好的光热性能，从而将“废物”转化为低成本核心原料；同时，我们选择高孔隙率、机械性能优异的三聚氰胺泡沫作为刚性骨架，并利用天然多糖海藻酸钠对其进行亲水功能化修饰与结构加固。 通过将上述材料复合，我们旨在构建一种集宽光谱高效吸光、快速水传输、主动抗盐与优异结构稳定性于一体的新型三维蒸发器，为解决太阳能海水淡化中的成本、效率和耐久性难题提供一个切实可行且环境友好的解决方案。

• 展现出卓越的抗盐性能，能有效缓解盐结晶沉积问题。
  

• 通过回收利用MXene沉积物，显著降低蒸发器成本，提升经济效益。
  

• 蒸发速率高达2.26 kg·m⁻²·h⁻¹，蒸发效率达到127.24%。
  

• 解决了气凝胶在水中易发生孔道塌陷和结构收缩的问题。

图1.FSMM蒸发器制造工艺流程图。

图2.(a)、(b)不同倍率下的FSMM的扫描电子显微镜图像。(c)FSMM气凝胶中每种元素的电子能谱图。

图3.(a)显示了FSMM的X射线衍射图。(b)对SM、SMM和FSMM的FTIR光谱表示不满。(c)分别显示了(d)、(e)和(f)FSMM的O1s、C1s和F1s的高分辨光谱。

图4.(a)、(b)、(c)和(d)分别是MF、SM、FSM和FSMM的接触角测量图像。

图5.(a)显示了FSMM和纯水的DSC曲线。(b)分别显示了MF、SMM和FSMM的UV-Vis-NIR光谱。(c)FSMM的热重曲线。(d)显示了蒸发过程中在1太阳光照强度下辐照前后FSMM蒸发器的温度变化。(e)蒸发实验装置示意图。(f)说明了在1太阳光照强度下，纯水、FSMM以及纯水、MF、SM和FSMM对蒸发性能的影响。(g)不同蒸发面积对FSMM蒸发速率的影响。

图6.(a)显示了不同高度对FSMM蒸发性能的影响。(b)绘出了不同太阳光照强度下FSMM蒸发率的变化曲线。(c)FSMM和相关蒸发器的蒸发速度和效率的比较。(d)展示了不同浓度的氯化钠溶液对FSMM蒸发性能的影响。(e)FSMM的耐盐机理示意图。(f)蒸发器在室外蒸发前后的状态变化。(g)蒸发器的耐盐性能试验。(h)强酸、强碱、甲基溴和钼的蒸发率。

图7.(a)FSMM在强酸和强碱溶液中蒸发前后水的pH值变化。(b)FSMM对含MO模拟废水的净化能力。(c)FSMM对含有甲基溴的模拟废水的净化能力。(d)10：00至17：00太阳光强度随环境温度的变化。(e)FSMM蒸发器在10个太阳能驱动的水蒸发周期中的循环稳定性。(f)模拟海水、纯净海水和自来水的电阻率。(g)海水淡化前后各种盐离子的浓度。

利用低成本且环境友好的太阳能作为光热转换的能源供给，结合制备简单、成本低廉且蒸发效率高的蒸发器，是解决海水淡化领域淡水资源危机的最佳方案。在本研究中，我们选用MXene沉积物和Fe₃O₄作为光热转换材料，并以MF作为基底材料，成功制备了一种具有高光吸收率、高蒸发速率和优异耐盐性能的FSMM气凝胶蒸发器。Fe₃O₄与MS的协同效应使得该蒸发器在250-2500 nm波长范围内的平均光吸收率超过90%。通过引入海藻酸钠，提高了MF材料的亲水性，降低了FSMM中水的蒸发焓，从而提升了蒸发器的蒸发速率。实验结果表明，FSMM的蒸发速率可达2.26 kg·m⁻²·h⁻¹，并展现出优异的耐盐性。无论是在浓盐水、强酸、强碱还是染料废水中，FSMM均能保持良好的蒸发速率。本研究提出了一种将光热材料负载到MF上的简便方法，为气凝胶在冷冻干燥过程中易收缩以及在水下机械性能差的问题提供了新的解决方案。该研究引入了一种创新的低成本蒸发器制备策略，通过回收废弃MS实现了具有成本效益的蒸发器生产，显著拓展了太阳能驱动界面蒸发在水净化领域的潜在应用。

Chen, J., He, Y. Q., Zheng, J., Hang, J. H., Lou, J., Xia, X. L., Hu, C. Y., & Liu, B. J. Sodium alginate-integrated MXene sediment /Fe₃O₄ evaporator for salt-resistant and efficient continuous water evaporation. International Journal of Biological Macromolecules, 2025, 329, 147785..

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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

审核：

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。承担自然科学基金项目、浙江省自然科学基金探索项目、浙江省自然科学基金（联合基金）探索项目、市科技计划项目等十余项。在Chem Eng J、Bioresour Technol、J Hazard Mater、Desalination、Carbohydr Polym、J Colloid Interf Sci、Sep Purif Technol、Ind Eng Chem Res、J Environ Manag、J Environ Sci等期刊上发表或接收SCI收录论文100余篇；中科院TOP期刊综述论文9篇（其中Chitosan 5篇）；发表论文被Chem Rev、Chem Soc Rev、Energ Environ Sci、Adv Mater、Coordin Chem Rev、Prog Polym Sci、Adv Funct Mater、Water Res、Adv Energy Mater等400余SCI期刊引用超过6300次，篇均被引次数超过60次，单篇论文最高被引用次数为520次；19篇论文（曾）入选ESI高被引论文和7篇论文（曾）入选热点论文。

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42次（Web of Science），2025年5月入选ESI高被引论文。

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2024年 12 月 24 日，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了 阳光净水课题组 题为 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 综述论文。本综述全面总结了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高废水处理和水净化的有效改性策略，并重点阐述了MoS2bMats在环境污染物吸附、光催化降解和还原、Fenton高级氧化、PMS/PS活化氧化、废水脱盐（膜过滤和太阳能蒸发脱盐）等方面的应用。最后，讨论并提出了 MoS 2 bMats 理论研究与应用之间存在差距、工程挑战、未来的研究方向和机遇。 该论文自 2024 年 12 月线上发表以来，现已被引用21 次（ Web of Science ）。

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2025年 06 月 ，国际期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》发表了阳光净水课题组题为 “Sustainable chitosan-based adsorbents for phosphorus recovery and removal from wastewater: A review” 最新 综述论文。本文全面综述了用于废水中磷回收和去除的壳聚糖基吸附材料（CSMats）的性质、改性方法、影响因素。同时，总结了CSMats吸附去除水体磷的主要作用机理（氢键、静电作用、路易斯酸碱相互作用、配体/离子交换和表面沉淀作用）。此外，还归纳了CSMats的再生方法、连续流处理和在实际废水中应用。 最后，讨论了 CSMats除磷材料面临的挑战和未来发展方向。《 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，2025年6月最新影响因子/中科院分区： 8. 50/ TOP 期刊。该论文自 2024 年1 月线上发表以来，现已被引用8 次（Web of Science ），国际引用占比75%。

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2024 年 1 月，国际期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊发表了阳光净水课题组题为 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的综述性论文。更清洁、更安全的环境是未来最重要的要求之一。与传统材料相比，壳聚糖具有丰富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和亲水性，是一种更环保的功能材料。由于壳聚糖分子链上丰富的 -NH2 和 -OH 基团可以有效地与各种金属离子螯合，壳聚糖基材料作为金属氧化物纳米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撑基质具有巨大的潜力。近年来，许多壳聚糖 / 金属氧化物纳米材料（ CS/MONM ）作为吸附剂、光催化剂、非均相类芬顿试剂和传感器，在环境修复和监测中具有潜在和实际的应用。本综述全面分析和总结了CS/MONMs复合材料的最新进展，这将为CS/MONMs复合材料的制备和废水处理应用提供丰富而有意义的信息，并有助于研究人员更好地了解CS/MONMs复合材料在环境修复与监测中的潜力。该论文自 2024 年 1 月线上发表以来，现已被引用59 次（ Web of Science ），国际引用占比55.0%。

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2024 年 2 月，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了阳光净水课题组题为 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的综述性论文。污染物检测和水净化对于实现环境保护和资源利用非常重要。构建新型功能材料去除各种污染物也变得越来越重要和紧迫。本综述总结了磁性壳聚糖（M-CSbMs）的3种可靠制备策略（原位策略、两步策略和沉积后策略），并详细介绍了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金属离子、有机染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低浓度污染物等方面的研究进展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面临的挑战和前景，以期促进其在水净化和固相萃取污染物方面的实际应用。该论文自 2024 年 2 月发表以来，现已被引用 41 次（ Web of Science ）。

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