蒸发材料0703丨西北师范大学CEJ论文：通过结构工程设计构建用于海水淡化和水处理的高性能水凝胶-木材太阳能蒸发器

2025年，国际期刊《Chemical Engineering Journal》在线发表了“Construction of high-performance hydrogel-wood solar evaporator for desalination and water treatment through structural engineering design”的研究性论文。该文通过结构工程设计，构建了高性能水凝胶-木材复合太阳能蒸发器，用于海水淡化和水处理。核心叙事围绕“结构设计—协同机制—蒸发性能”展开，将天然木材的垂直多孔通道、聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶层以及中空聚吡咯（PPy）纳米管光热层三者有机结合，形成“本体水-毛细力-渗透压-蒸汽”双驱动力模型，系统阐释了水传输路径优化、光热管理增强与抗盐性能提升之间的协同关系，并给出了在模拟海水、高浓度盐水、酸碱溶液及含油废水等多污染物情境下的关键作用机制与代表性性能数据（蒸发速率2.31 kg m⁻² h⁻¹，能量转换效率97.24%，20 wt%盐水中6小时无盐结晶）。《Chemical Engineering Journal》是Elsevier旗下期刊，该期刊2025-2026最新影响因子为15.1，主要刊登化学工程与环境工程领域的前沿研究成果，包括先进材料、界面过程、可持续技术等方向，属于中科院工程技术1区Top期刊。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167095

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淡水短缺对全球可持续发展构成了重大挑战。太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术因其环境友好和低成本而受到关注，但其面临材料成本和盐结晶堵塞等瓶颈。在本工作中，选择天然木材（NW）——一种具有可再生特性和高成本效益的生物质材料——作为基底材料，并通过蒸发器的调控与设计，在木材的孔道结构上负载了薄层聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶。此外，通过喷涂技术引入中空聚吡咯（PPy）纳米管作为光热转换材料，构建了水凝胶-木材复合太阳能蒸发器（PWP）。基于木材的多孔垂直通道与水凝胶层之间的协同机制，形成了“本体水-毛细力-渗透压-蒸汽”的双驱动力模型，以优化水传输路径。此外，中空PPy纳米管形成的网络结构不仅通过多重反射机制增强光捕获，还减少了热损失，实现了高达97.8%的光吸收。凭借优化水传输路径的双驱动力以及出色的光捕获能力，PWP蒸发器在一个太阳光照射下实现了优异的蒸发速率（2.31 kg m⁻² h⁻¹）和能量转换效率（97.24%）。此外，PWP蒸发器表现出显著的抗盐积累能力。即使在20 wt% NaCl溶液中持续蒸发6小时，也未观察到明显的盐晶体沉积。同时，PWP蒸发器已证明能在恶劣环境中稳定运行，这为开发经济高效、高性能的木材基蒸发器开辟了有前景的途径。

随着全球人口的持续增长和环境污染的日益加剧，淡水短缺已成为亟待解决的全球性挑战。传统的海水淡化技术（如反渗透和多级闪蒸）虽已广泛应用，但其设备制造成本高、整体能耗巨大，限制了其大规模推广。太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术因其零碳排放、低成本和可持续性，在海水淡化和废水处理领域展现出巨大潜力。近年来，研究者们通过优化光热转换材料、热管理、水传输路径以及水分子活化状态等策略，在高效太阳能蒸发器的设计上取得了显著进展。其中，基底材料的选择尤为关键，它不仅作为吸光物质的支撑介质，还承担着系统内的热绝缘和水传输的重要功能。天然木材作为一种可再生、低成本、环境友好的生物质材料，因其具有垂直排列的孔道结构、高孔隙率、低热导率和良好的机械性能，成为理想的蒸发器基底候选材料。然而，木材基蒸发器在实际应用中面临盐积累导致孔道堵塞、蒸发效率下降和长期稳定性不足等瓶颈。同时，现有研究多将水凝胶填充于木材孔道中，依赖渗透压差进行水传输，但这种方法难以在水凝胶内部产生有效对流，阻碍盐离子快速向下迁移，导致凝胶脱水收缩、结构失稳甚至分层，严重制约了蒸发器的综合性能。因此，如何通过合理的结构设计与工程策略，实现水凝胶与木材的协同增效，在保持强水传输能力和抗盐性能的同时进一步降低蒸发焓，成为推动SDIE技术可持续发展的关键科学问题。

• 构建水凝胶-木材复合太阳能蒸发器，为开发高性能蒸发器提供了一条有效途径。

• 这种复合设计克服了单一材料体系的局限性。

• 开发了一种双驱动力模型，以优化水传输路径。

• 所制备的蒸发器实现了优异的蒸发速率（2.31 kg m⁻² h⁻¹）和能量转换效率（97.24%）。

  
  

图1. PWP 蒸发器的制备工艺流程图。

图2. (a)纳米线(NW)、(b)双壁碳纳米管(WS)及(c)多壁碳纳米管(PW)的扫描电镜侧视图；(d–g)不同放大倍数下聚苯并芘(PWP)的扫描电镜俯视图；(h)聚吡咯(PPy)的扫描电镜图像；(i)聚吡咯的透射电子显微镜图像；(j)聚吡咯、PW及NW的傅里叶变换红外光谱；(k)纳米线、WS及PW的高分辨率C1s谱图；(l) XPS 谱图。

图3。(a) PWP 经超声处理前后的光学图像；(b)在40%应变条件下进行的5次循环压缩试验；(c)纳米线与 PWP 的水接触角图像；(d)不同聚吡咯浓度下 PWP 的光吸收光谱；(e)光多次反射示意图；(f) PWP 的红外热像图；(g) PWP 、聚乙烯醇及纯水的温度变化曲线；(h)不同辐照强度下 PWP 的温度变化曲线；(i) PWP 与纯水的热导率。

图4。(a)装置示意图。(b)WSP、 PWP 及纯水的质量随时间变化曲线。(c)双驱动作用力机制示意图。(d)纯水与 PWP 蒸发器的DSC曲线。(e)水的拉曼光谱。(f) PWP 中水的拉曼光谱。(g) PWP 中水分子状态示意图。(h)不同太阳辐照强度下 PWP 的蒸发速率。

图5. (a) 不同浓度氯化钠溶液中 PWP 的蒸发速率及能量转换效率；(b) 经过10次循环实验的 PWP ；(c) 连续蒸发6小时期间WSP和 PWP 蒸发器表面的光学图像；(d) 光照条件下 PWP 表面盐溶解过程的光学图像；(e) PWP 蒸发器性能与其他木质基蒸发器的比较；(f) 四种主要离子浓度变化；(g) PWP 在不同水环境中随时间变化的质量曲线；(h) 抗油性示意图；(i) RhB与(j) Mo染料溶液及其对应的冷凝液紫外-可见光谱（插图显示染料溶液及收集冷凝液的光学图像）；(k) 自然阳光下户外蒸发收集装置的光学图像；(l) 户外实验中的太阳辐射强度、环境温度、蒸发器表面温度及蒸发速率；(m) 海水样品蒸发前后的四种主要离子浓度变化。

在本工作中，针对木材基蒸发器的盐积累问题，通过合理的结构设计策略构建了一种水凝胶-木材复合太阳能蒸发器，以实现水凝胶和木材的协同效应。以天然木材为基底材料，通过在木材孔道结构上负载薄层聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶，并利用喷涂技术引入中空聚吡咯（PPy）纳米管作为光热转换材料，构建了PWP太阳能蒸发器。基于木材的多孔垂直通道与水凝胶层之间的协同机制，形成了“本体水-毛细力-渗透压-蒸汽”的双驱动力模型，实现了水传输路径的优化。中空PPy纳米管形成的网络结构不仅通过多重反射机制增强光捕获，还减少了热损失，实现了高达97.8%的光吸收。同时，通过双驱动力调节优化水传输路径，并结合出色的光捕获能力，PWP蒸发器实现了优异的蒸发速率（2.31 kg m⁻² h⁻¹）和能量转换效率（97.24%）。此外，PWP蒸发器具有优异的耐盐性，即使在20 wt% NaCl溶液中连续蒸发6小时后，也未观察到盐晶体沉淀。这项工作为木材基太阳能蒸发器的优化设计和长期稳定运行提供了创新思路，对于推动绿色、低碳、经济、高效的SDIE技术的发展具有重要意义。

Sun, Y.Q., Zhuo, M., Yuan, X., Chen, W.X., Zhang, J., Liu, W.M., Li, J. Construction of high-performance hydrogel-wood solar evaporator for desalination and water treatment through structural engineering design. Chemical Engineering Journal, 525 (2025) 167095. https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167095

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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。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55次（Web of Science），国际引用占比73%，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- ） MoS 2 基材料（ MoS 2 bMats ）提高废水处理和水净化的有效改性策略，并重点阐述了 MoS 2 bMats 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31 次（ Web of Science ）。

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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69 次（ Web of Science ），国际引用占比65.0%。

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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 51 次（ Web of Science ）。

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