蒸发材料1231丨陕西科技大学AFM论文：用于制备高性能生物质太阳能蒸发器的可扩展CO₂爆破膨化策略

蒸发材料

近日，国际顶级材料学期刊《Advanced Functional Materials》在线发表了题为“Scalable CO₂-Puffing Strategy for Fabricating High-Performance Biomass Solar Evaporator”（可扩展CO₂爆破膨化策略制备高性能生物质太阳能蒸发器）的研究性论文。研究团队提出了一种新颖且可扩展的乙醇渗透脱水结合二氧化碳爆破膨化干燥（EOD-EPD）策略，并以廉价的土豆为生物质原料，成功构筑了兼具超高蒸发性能和卓越抗盐能力的一体化碳化土豆蒸发器。该工作首先通过对比研究，从能耗、时间、成本等工程化角度系统论证了CO₂爆破干燥相较于传统冷冻干燥的显著优势。结合SEM、孔径分布、接触角等表征手段，深入揭示了EOD-EPD工艺如何构建出独特的、高度互联的多尺度孔道结构。在此基础上，通过引入聚（4-苯乙烯磺酸钠）（PNaSS）进行功能化改性，利用其强亲水性与负电性，进一步增强了材料的毛细输水和抗盐离子沉积能力。研究表明，所制备的EOD-EPD-PNaSS蒸发器集高效光热转换、快速水输运与长效抗盐功能于一体。在1个太阳光照下，其蒸发速率高达3.46 kg·m⁻²·h⁻¹，光热转换效率达到98.67%。得益于其互联大孔结构诱导的马兰戈尼回流效应以及PNaSS的静电排斥作用，该蒸发器表现出优异的长期耐盐性，在17.5 wt%的高浓度盐水中仍能稳定工作，并能在表面强制积盐后快速实现自清洁。通过长达5天的循环蒸发实验和真实户外环境测试，充分验证了其在实际应用中的可靠性和稳定性。这项工作为大规模、低成本生产高性能太阳能蒸发器提供了全新的、可工业化的技术路径。《Advanced Functional Materials》是材料科学领域的国际顶尖期刊，2025年公布的影响因子为19.0，以其对前沿功能材料创新性研究的高标准要求而享誉全球，在该领域内具有顶级的学术影响力与权威性。

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可扩展且节能的制造方法对于太阳能驱动界面蒸发器的实际应用至关重要。本文提出了一种新颖且可扩展的二氧化碳爆破膨化干燥策略，用于构建具有分级多孔结构的高性能生物质基太阳能蒸发器。与传统冷冻干燥相比，该方法在保持机械完整性和增强孔隙互联性的同时，显著降低了能耗和处理时间。由此产生的碳化土豆蒸发器，进一步用聚（4-苯乙烯磺酸钠）（PNaSS）功能化后，表现出优异的光热性能，在1个太阳光照下实现了3.46 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发速率和98.67%的太阳能-蒸汽转换效率。多尺度互连的孔结构促进了快速的水传输、有效的盐分回流和热局域化。值得注意的是，该蒸发器在循环运行和户外测试中表现出优异的耐盐性和长期稳定性。这项工作为生产生物来源的太阳能蒸发器提供了一条经济高效且可扩展的途径，为可持续淡水收集和海水淡化技术提供了新的见解。

随着工业化发展，淡水短缺问题日益严峻，已成为威胁全球可持续发展的关键挑战。海水淡化和废水回用是缓解水资源短缺的关键策略，但传统技术（如反渗透、电渗析和多级闪蒸）存在能耗高、操作复杂、效率有限等固有缺陷，限制了其大规模应用，难以满足日益增长的清洁水需求。因此，开发节能、环保且可扩展的水净化技术势在必行。 太阳能驱动界面水蒸发作为一种有前景的替代方案，利用光热材料将太阳能转化为热能用于产汽，从而实现了节能的海水淡化和废水净化。然而，一个关键瓶颈依然存在：残留废水中污染物的浓缩积累问题，需要同时进行净化以防止二次污染。

• 提出并验证了一种可工业化的新型干燥工艺
  

• 蒸发效率与耐盐性达到同期领先水平

• 结合了物理结构疏导（互联孔）和化学界面排斥（PNaSS）的双重抗盐策略
  

图1.碳化马铃薯太阳能蒸发器的原理和工作机理a)冷冻干燥和爆炸膨化干燥过程中材料内部的气孔形成示意图b)海水淡化过程中EOD-EPD-CPE中的水盐迁移机理c)大型CO2膨化干燥设备照片d)大规模膨化干燥产生的土豆样品的照片。

图2.材料的制备和表征a)CPE(EOD-EPD-PNaSS)制备过程b)CPE(EOD-EPDPNaSS)的表面扫描电子显微镜图像c)CPE(EOD-EPD-PNaSS)的横截面扫描电子显微镜图像d)膨化干燥和冷冻干燥性能指标的比较。

图3.不同干燥方法制备的马铃薯蒸发器的光热转化性能。a)CPE的UV-Vis-近红外全光谱(200-2500 nm)；b)CPE的可见光光谱(380-760 nm)；c)CPE在1个太阳下蒸发时的表面温度变化；d)1个太阳下CPE干湿温度分布的红外图像(EOD-EPD-PNaSS)；e)CPE在1000us f蒸发过程中温度分布的数值模拟(EOD-FD和EOD-EPD))50°C下不同干燥方法制备的CPE的导热系数。

图4.不同方法制备的马铃薯蒸发器的水分传输能力和蒸发性能。a)CPE吸水率随时间的变化b)CPE在1KW·m−2太阳下的质量变化c)CPE在1KW·m−2太阳和3.5wt.%盐水下的蒸发速率和能量效率d)3.5wt.%盐水中CPE的拉曼光谱和H伸缩能区的拉曼光谱和拟合曲线(EOD-EPD-PNaSS)与碳化生物基材料的能效和水蒸发率的比较。

图5.EOD-EPD-PNaSS马铃薯蒸发器的蒸发性能。a)3.5wt.%不同太阳光照度下CPE的质量变化；b)蒸发器表面加入0.3g盐晶体前后CPE在不同盐分浓度下的蒸发速率和能量效率；c)3.5wt.%盐分和1个太阳光照下CPE 10h的蒸发性能测试；e)在500us的CPE过程中从顶部向下方水体的盐分回流的数值模拟。

图6.用于长期海水淡化和户外测试的EOD-EPD-PNaSS土豆蒸发器。a)户外测试的照片。b)在5天的循环试验中3.5wt.%盐水溶液的质量变化和蒸发速率。c)上午9时至下午18时在陕西西安市进行的室外蒸发试验中的太阳强度、蒸发率和温度。

本研究展示了一种通过CO₂气流爆破膨化干燥来制造生物质基蒸发器的可扩展、低成本策略。该工艺建立了一种通用机制，即通过CO₂膨胀调控孔隙结构，产生一个高度多孔且互连的网络，从而促进快速水传输和均匀的热量分布。PNaSS的引入赋予了蒸发器增强的界面亲水性和离子功能，这不仅加强了水的亲和力、促进了离子传输，还抑制了长期运行中的盐分积累。膨化多孔结构和PNaSS改性界面的协同作用显著降低了蒸发焓，同时提高了蒸发效率和结构耐久性。这项工作不仅阐明了PNaSS与生物质基体之间的界面相互作用机制，也为设计高效光热材料提供了一个通用策略。此外，CO₂爆破膨化干燥的概念在更广泛的应用中展现出巨大潜力，包括废水净化、污染物去除和可持续水处理技术。

Niu, Y., Yuan, Y., Wang, Y., et al. Scalable CO₂-puffing strategy for fabricating high-performance biomass solar evaporator. Advanced Functional Materials, 2025, 35, e24021.https://doi.org/10.1002/adfm.202524021.

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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

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。

详细内容看课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

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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43次（Web of Science），2025年5月起入选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23 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 43 次（ Web of Science ）。

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