蒸发材料1214丨河北工业大学AFM论文：空间型双面太阳蒸发器，具有高蒸发速率和增强的盐处理能力

2025年，《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊在线发表了题为“Spatially Janus-Like Solar Evaporator with High Evaporation Rate and Enhanced Salt Processing Capacity”的研究性论文。在1小时太阳辐照下，该蒸发器实现4.18 kg m−2 h−1的蒸发速率和801 g m−2 h−1的盐产率，并在八个明暗循环（20 wt.% NaCl）中保持长期稳定性。《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊2024年影响因子为19.0，刊登旨在改善材料化学和物理性能的杰出研究成果，通过涵盖广泛的领域并提供有关材料科学各方面的突破性研究。

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太阳能驱动的界面蒸发结合可控盐结晶技术为实现零液体排放的海水淡化提供了有效途径。然而，传统Janus蒸发器常面临高蒸发效率与可控盐结晶之间的固有权衡。本文提出了一种具有嵌入式圆锥形蒸发核心及外围亲水供水区域的空间分布三维Janus蒸发器。通过调节PVA/CS比例，构建了具有互连多孔通道的强效双网络水凝胶，确保机械稳定性和高效水分传输。SiO2纳米颗粒的引入实现了空间梯度的亲水-疏水界面，从而实现强热定位、蒸发表面水分含量降低以及由几何限制引导的盐结晶调控。实验与理论分析表明，圆锥形核心几何结构优化了传热与传质的耦合，即使在高盐度条件下也能维持稳定蒸发和可控结晶。在1小时太阳辐照下，该蒸发器实现4.18 kg m−2 h−1的蒸发速率和801 g m−2h−1的盐产率，并在八个明暗循环（20 wt.% NaCl）中保持长期稳定性。本研究提出了一种空间工程化策略，用于整合高效蒸发与定向盐分收集，为可持续零液体排放的海水淡化及卤水管理提供了新见解。

太阳能驱动的界面蒸发技术被视为缓解全球水资源短缺问题的有效策略，特别是在“双碳”战略（碳达峰和碳中和）框架下，该技术因其高太阳能到蒸汽转换效率和低运行成本而成为可持续的水净化和脱盐替代方案。近年来，界面蒸发器的设计取得了显著进展，包括提高光热转换效率、优化水传输路径、调控水分子状态和集成多种能源。然而，在实际部署中，蒸发器表面盐结晶问题仍然是一个持久挑战，尤其是在处理高盐度废水时更为严重。盐结晶不仅会降低蒸发器的光吸收和水传输性能，还可能对环境造成污染。因此，开发具有强抗盐性和结晶管理能力的蒸发器对于实现零液体排放（ZLD）和可持续盐水管理至关重要。当前缓解盐积累的策略主要分为“无盐”和“盐分离”两类。“无盐”策略通过设计大孔结构、Janus架构等方法防止盐直接在表面结晶，但并不能完全消除盐排放。“盐分离”策略则通过完全分离溶质和水来实现ZLD，但现有研究多集中于简单基材，水亲和性有限，导致蒸发率较低。水凝胶材料因其优异的亲水性、丰富的多孔结构和强机械性能，在界面蒸发研究中受到广泛关注。然而，使用水凝胶材料进行蒸发结晶面临结构降解和盐积累等挑战，影响后续的光吸收和蒸发性能。Janus结构通过调节水和盐的传输，实现了高蒸发率和抗盐性的协同平衡，在太阳能界面蒸发系统中得到广泛应用。然而，传统设计主要关注增强蒸发和抑制盐结晶，允许溶解的盐离子返回给水，限制了完全的水盐分离。工业脱盐操作中常见的高盐度废水需要进一步处理以防止环境污染，这对蒸发器的盐处理能力和长期稳定性提出了更高要求。因此，开发能够在高盐度条件下保持高效蒸发和稳定运行的蒸发器具有重要意义。

提出了空间分布的3D Janus蒸发器，该蒸发器具有嵌入式锥形蒸发核心和外围亲水性供水区域。这种独特的设计结合了内部疏水蒸发区和外部亲水水凝胶基质，形成了空间分布的润湿性配置。锥形核心设计优化了热质传递耦合，即使在高温高盐度条件下也能保持稳定的蒸发和可控的结晶。

引入SiO2纳米颗粒，实现了空间梯度亲水-疏水界面，增强了热定位，减少了蒸发表面的水含量，并调节了盐的结晶。

1.不同核心结构的太阳能界面蒸发器示意图及其对应的盐分管理机制。a)无芯蒸发器。b)圆柱形芯蒸发器。c)锥形芯蒸发器。

2. a)蒸发器制备过程的示意图，以锥形核心蒸发器为例。bc) CS1/PVA0.8-AC水凝胶垂直和水平界面的SEM图像。不同水凝胶的孔隙分布。e)五种不同水凝胶中孔径从0-100 μm的百分比分布分析。f)水供应区域（CS1/PVA0.8-AC）和蒸发核心区域（CS1/PVA0.8-AC-SiO2）的蒸发器饱和含水量。

3. a) AM 1.5 G太阳光谱叠加了无AC和有AC的水凝胶的UV-vis- NIR吸收曲线。b)有无疏水二氧化硅的水凝胶在干燥和水饱和状态下的热导率测量。c) CS1/PVA0.8-AC（无芯）、CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆柱形）和CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆锥形）在1太阳（1 kW m−2）辐照下的表面温度演变。d) CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆锥形）的三维温度场，以及CS1/PVA0.8-AC（无芯）、CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆柱形）和CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆锥形）在1太阳辐照下的截面温度分布。e) CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆锥形）在1太阳辐照下0–15分钟的红外热像图。

4. a) CS/PVAy-AC-SiO2（圆锥形）蒸发器在1小时太阳光照下的纯水蒸发速率。b) CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆锥形）蒸发器在黑暗条件下及不同光照面积下1小时太阳光照下的蒸发速率。c) CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆锥形）与过去十年报道的盐结晶蒸发器在处理不同浓度盐水时1小时太阳光照下的蒸发速率对比。水的三种状态及水分子在水凝胶中的分布示意图，包括BWFWIWe) CS1/PVA0.8-AC-SiO2中水分子O─H伸缩带的高斯反卷积。f)从五种不同比例水凝胶的拉曼光谱中提取的IW/FW比值。g)纯水及相应水凝胶蒸发器的DSC热流温度曲线。h)每个系统的蒸发焓由热流温度曲线计算得出。i) 1小时太阳光照下纯水及水凝胶的蒸发速率及相应的蒸发效率。

图5. a) CS1/PVA0.8-AC（无芯）、CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆柱形）和CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆锥形）蒸发器在连续1小时太阳辐射下24小时的蒸发速率。b) CS1/PVA0.8-AC（无芯）、CS1/PVA0.8-AC（圆柱形）和CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆锥形）水凝胶的二维氯化钠浓度分布的数值模拟。c) CS1/PVA0.8-AC（无芯）、CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆柱形）和CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆锥形）蒸发器在1小时太阳辐射下连续蒸发24小时后的光学图像。d) CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆锥形）在交替8小时光照（1小时太阳）和8小时黑暗周期下的循环性能，显示在八个周期内蒸发速率稳定。e) CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆锥形）的平均盐收获率（801g.m-2.h-1）与文献中报道的先进蒸发器进行对比。

图6. a)户外太阳能净水系统的示意图，该系统结合了CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆锥形）蒸发器和倾斜冷凝器。b)户外运行时CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆锥形）蒸发-结晶装置的照片。c) CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆锥形）的蒸发速率，累计产水量，以及记录的户外条件（太阳辐射、环境温度和相对湿度）。d，e)模拟含Mo和RhB的染料废水在蒸发前及太阳能蒸发后收集的冷凝水的紫外-可见光谱。f)进料人工海水和冷凝水中的K+、Ca+、Na+和Mg2+浓度，表明净化水符合世界卫生组织饮用水标准。

总之，我们开发了一种空间分布的3D Janus水凝胶蒸发器，该装置集成了中央疏水蒸发核心和外围亲水供水区，实现了水盐同步分离与回收。在锥形核心中引入低密度疏水二氧化硅纳米颗粒，不仅降低了表面润湿性并增强了热定位，还实现了空间梯度的水分分布以高效产生蒸汽。同时，亲水外围确保了持续的水分补充和盐向外运输，有效防止了蒸发界面处的盐积累。这种协同结构从而在热管理、水分输送和盐结晶之间建立了动态平衡，实现了高蒸发效率和定向边缘盐收集。在1小时阳光照射下，优化后的CS1/PVA0.8-AC-SiO2（圆锥形）蒸发器实现了4.18 kg m−2 h−1的蒸发速率和801 g m−2 h−1的盐产率，并在20 wt.%盐水中多次循环中保持了优异的稳定性。实验观察和理论模拟均证实了锥形蒸发核心在调控耦合热质传递和引导盐结晶中的关键作用。本研究为构建多功能水凝胶基蒸发器提供了通用设计策略，为可持续太阳能脱盐、ZLD 操作和高盐度卤水管理提供了新见解。

Xinye Liu, Jinmin Zhao, Jing Fang, Zhensheng Yang, Xingjiang Wu, Hao Li, Janus macroporous polyelectrolyte hydrogels towords excellent solar desalination, Chemical Engineering Journal, 504, 2025, 159009, 1385-8947, https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.159009.

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资料整理：徐泽恩（阳光净水）

编辑：环境与能源功能材料

徐泽恩（阳光净水课题组）

【资料整理】徐泽恩：资源与环境硕士研究生，研究方向为海水/废水蒸发处理，发表中科院TOPSCI期刊论文2篇，参与浙江省自然科学基金项目1项，获一等学业奖学金1次。

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。其中被国外学者引用25次，国际引用占比60%。

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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 18 次（ Web of Science ），国际引用占比55.5%。

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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51 次（ Web of Science ），国际引用占比51.0%。

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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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