天大/天商陈冠益&电子科大于淼EES Perspective：用于资源和能源回收的先进太阳能界面蒸发技术

天津大学/天津商业大学陈冠益教授团队与电子科技大学于淼教授团队EES Perspective：用于资源和能源回收的先进太阳能界面蒸发技术

【研究背景】

在全球能源/资源短缺与环境恶化的双重挑战下，推动可持续发展迫在眉睫。海水、工业废水等水体中蕴藏着丰富的锂、铀等战略性矿产资源，同时含有可观的化学能与热能，具备显著的资源和能源价值。太阳能界面蒸发技术（SIE）为从上述水体中同时回收淡水、高值矿物及能源提供了一条低碳、可持续的新路径。然而，目前该技术仍存在若干瓶颈，例如：挥发性有机物易随蒸汽迁移而影响水质；在复杂水基质中对目标组分的选择性分离效率仍不理想；实现多功能集成的SIE系统尚需兼顾能量效率与资源回收效益的平衡等。

针对上述挑战，天津大学/天津商业大学陈冠益教授团队与电子科技大学于淼教授团队在能源与环境科学领域权威期刊《Energy & Environmental Science》上合作发表了题为“Advanced solar-driven interfacial evaporation technology for resource and energy recovery”的Perspective文章。天津大学/天津商业大学陈冠益教授，电子科技大学于淼教授和香港城市大学于桢博士为论文共同通讯作者。天津大学崔孝强副教授为本文第一作者。本研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。该文系统梳理了SIE技术在资源与能源回收方向的最新研究进展，并首次构建了针对相关过程的动力学与热力学分析框架，为设计下一代高效、可持续的SIE系统提供了理论依据与科学指导。

【文章概要】

1. 清洁水生产

当前，SIE系统在处理非挥发性废水方面已展现出良好的运行稳定性。然而，在处理含挥发性有机污染物（VOCs）的废水时，VOCs在蒸发‑冷凝过程中的共迁移问题严重制约了产水水质。现有拦截方法，如耦合高级氧化、吸附等技术，虽可实现99%以上的VOCs去除率，但蒸发速率、降解速率与VOCs截留效率之间的动力学关系仍缺乏系统揭示。针对这一关键问题，本研究首次构建了VOCs截留效率的耦合动力学模型。模型表明，提高降解速率常数与采用分级反应器设计是提升VOCs拦截效率的重要途径。此外，实际水体中多污染物共存的特点及二次污染物等问题，凸显了未来研究需聚焦于污染物选择性降解与资源化转化技术的开发。

图1 用于清洁水生产的SIE系统

2. 矿物回收

除盐生产外，SIE系统还可用于从海水等水体中回收具有重要战略价值的矿物元素，如锂、铀、硼、铯等。本文综述了近年来面向矿物元素回收的SIE系统的研究进展，并进一步提出了“蒸发诱导的多场协同吸附”调控机制。研究发现，在不同元素的提取过程中，各物理场（如热场、浓度场、电场等）的贡献比例存在差异，表明吸附剂本征物理化学性质主导着多场协同效应的实际表现。为提升系统在复杂水体中的资源回收效率，后续需重点开发具有高选择性的功能吸附材料，并构建“光热吸附‑膜分离”等多技术协同的集成系统，从而实现多种资源的高效和梯级回收。

图2 用于矿物回收的SIE系统

3．能源与燃料生产

本研究还系统梳理了SIE系统在水-电联产和燃料生产领域的相关进展。在水-电联产方面，光伏耦合系统因其较高的输出功率密度而展现出良好的应用前景。为提升其他SIE耦合发电系统的输出功率，仍需在材料设计和界面结构上进行深入优化。开发面向微功率需求的应用场景，如自供电、自清洁、生物传感等，可能成为推动SIE耦合发电系统走向商业化的关键路径。在燃料生产方面，SIE系统可与光催化或电催化过程相结合，用于制氢或合成氨等。总体而言，SIE耦合燃料生产系统主要通过以下机制发挥作用：降低反应能垒、提供纯净反应环境以避免设备腐蚀、浓缩反应前驱体或及时分离目标产物等。该耦合系统能够减少对传统电网和淡水资源依赖，从而构建更为节能与可持续的燃料合成路径。为全面评估SIE耦合燃料生产系统的性能，本研究以SIE耦合制氢为例，对不同工艺路线（SIE耦合电催化与SIE耦合光催化系统）进行了㶲分析。结果显示，SIE耦合电催化系统具有更高的实际㶲效率。研究进一步指出，未来需着力提升催化剂本征活性、优化系统能质传输匹配，并解决产物收集、纯化及系统长期运行稳定性等工程实践问题。

图3 用于电力回收的SIE系统

图4 用于燃料生产的SIE系统

【总结与展望】

SIE系统正从单一的“水净化”向“资源‑能源工厂”模式转变，在分布式海水淡化、废水处理、矿物提取与清洁燃料合成中展现出广阔前景。未来发展的重点包括：建立涵盖制备工艺、稳定性、环境与生命周期成本的材料评价体系；优化系统冷凝效率、提升系统集成度与规模化运行可靠性；发展基于成本‑效益分析与资源潜力的多产品优先级回收策略；结合地域气候、水质特征与政策支持，开展因地制宜的系统设计与生态影响评估。通过多维度协同创新，SIE技术有望为实现可持续水‑能‑资源循环提供关键技术支撑。

图5 展望

本文链接：https://doi.org/10.1039/D5EE05041C