蒸發(fā)材料

近日，國際頂級材料學(xué)期刊《Advanced Functional Materials》在線發(fā)表了題為“Scalable CO?-Puffing Strategy for Fabricating High-Performance Biomass Solar Evaporator”（可擴(kuò)展CO?爆破膨化策略制備高性能生物質(zhì)太陽能蒸發(fā)器）的研究性論文。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新穎且可擴(kuò)展的乙醇滲透脫水結(jié)合二氧化碳爆破膨化干燥（EOD-EPD）策略，并以廉價的土豆為生物質(zhì)原料，成功構(gòu)筑了兼具超高蒸發(fā)性能和卓越抗鹽能力的一體化碳化土豆蒸發(fā)器。該工作首先通過對比研究，從能耗、時間、成本等工程化角度系統(tǒng)論證了CO?爆破干燥相較于傳統(tǒng)冷凍干燥的顯著優(yōu)勢。結(jié)合SEM、孔徑分布、接觸角等表征手段，深入揭示了EOD-EPD工藝如何構(gòu)建出獨(dú)特的、高度互聯(lián)的多尺度孔道結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，通過引入聚（4-苯乙烯磺酸鈉）（PNaSS）進(jìn)行功能化改性，利用其強(qiáng)親水性與負(fù)電性，進(jìn)一步增強(qiáng)了材料的毛細(xì)輸水和抗鹽離子沉積能力。研究表明，所制備的EOD-EPD-PNaSS蒸發(fā)器集高效光熱轉(zhuǎn)換、快速水輸運(yùn)與長效抗鹽功能于一體。在1個太陽光照下，其蒸發(fā)速率高達(dá)3.46 kg·m?2·h?1，光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到98.67%。得益于其互聯(lián)大孔結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)的馬蘭戈尼回流效應(yīng)以及PNaSS的靜電排斥作用，該蒸發(fā)器表現(xiàn)出優(yōu)異的長期耐鹽性，在17.5 wt%的高濃度鹽水中仍能穩(wěn)定工作，并能在表面強(qiáng)制積鹽后快速實(shí)現(xiàn)自清潔。通過長達(dá)5天的循環(huán)蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)和真實(shí)戶外環(huán)境測試，充分驗(yàn)證了其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作為大規(guī)模、低成本生產(chǎn)高性能太陽能蒸發(fā)器提供了全新的、可工業(yè)化的技術(shù)路徑。《Advanced Functional Materials》是材料科學(xué)領(lǐng)域的國際頂尖期刊，2025年公布的影響因子為19.0，以其對前沿功能材料創(chuàng)新性研究的高標(biāo)準(zhǔn)要求而享譽(yù)全球，在該領(lǐng)域內(nèi)具有頂級的學(xué)術(shù)影響力與權(quán)威性。

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可擴(kuò)展且節(jié)能的制造方法對于太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)器的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。本文提出了一種新穎且可擴(kuò)展的二氧化碳爆破膨化干燥策略，用于構(gòu)建具有分級多孔結(jié)構(gòu)的高性能生物質(zhì)基太陽能蒸發(fā)器。與傳統(tǒng)冷凍干燥相比，該方法在保持機(jī)械完整性和增強(qiáng)孔隙互聯(lián)性的同時，顯著降低了能耗和處理時間。由此產(chǎn)生的碳化土豆蒸發(fā)器，進(jìn)一步用聚（4-苯乙烯磺酸鈉）（PNaSS）功能化后，表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱性能，在1個太陽光照下實(shí)現(xiàn)了3.46 kg·m?2·h?1的蒸發(fā)速率和98.67%的太陽能-蒸汽轉(zhuǎn)換效率。多尺度互連的孔結(jié)構(gòu)促進(jìn)了快速的水傳輸、有效的鹽分回流和熱局域化。值得注意的是，該蒸發(fā)器在循環(huán)運(yùn)行和戶外測試中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐鹽性和長期穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作為生產(chǎn)生物來源的太陽能蒸發(fā)器提供了一條經(jīng)濟(jì)高效且可擴(kuò)展的途徑，為可持續(xù)淡水收集和海水淡化技術(shù)提供了新的見解。

隨著工業(yè)化發(fā)展，淡水短缺問題日益嚴(yán)峻，已成為威脅全球可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。海水淡化和廢水回用是緩解水資源短缺的關(guān)鍵策略，但傳統(tǒng)技術(shù)（如反滲透、電滲析和多級閃蒸）存在能耗高、操作復(fù)雜、效率有限等固有缺陷，限制了其大規(guī)模應(yīng)用，難以滿足日益增長的清潔水需求。因此，開發(fā)節(jié)能、環(huán)保且可擴(kuò)展的水凈化技術(shù)勢在必行。 太陽能驅(qū)動界面水蒸發(fā)作為一種有前景的替代方案，利用光熱材料將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能用于產(chǎn)汽，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的海水淡化和廢水凈化。然而，一個關(guān)鍵瓶頸依然存在：殘留廢水中污染物的濃縮積累問題，需要同時進(jìn)行凈化以防止二次污染。

• 提出并驗(yàn)證了一種可工業(yè)化的新型干燥工藝
  

• 蒸發(fā)效率與耐鹽性達(dá)到同期領(lǐng)先水平

• 結(jié)合了物理結(jié)構(gòu)疏導(dǎo)（互聯(lián)孔）和化學(xué)界面排斥（PNaSS）的雙重抗鹽策略
  

圖1.碳化馬鈴薯太陽能蒸發(fā)器的原理和工作機(jī)理a)冷凍干燥和爆炸膨化干燥過程中材料內(nèi)部的氣孔形成示意圖b)海水淡化過程中EOD-EPD-CPE中的水鹽遷移機(jī)理c)大型CO2膨化干燥設(shè)備照片d)大規(guī)模膨化干燥產(chǎn)生的土豆樣品的照片。

圖2.材料的制備和表征a)CPE(EOD-EPD-PNaSS)制備過程b)CPE(EOD-EPDPNaSS)的表面掃描電子顯微鏡圖像c)CPE(EOD-EPD-PNaSS)的橫截面掃描電子顯微鏡圖像d)膨化干燥和冷凍干燥性能指標(biāo)的比較。

圖3.不同干燥方法制備的馬鈴薯蒸發(fā)器的光熱轉(zhuǎn)化性能。a)CPE的UV-Vis-近紅外全光譜(200-2500 nm)；b)CPE的可見光光譜(380-760 nm)；c)CPE在1個太陽下蒸發(fā)時的表面溫度變化；d)1個太陽下CPE干濕溫度分布的紅外圖像(EOD-EPD-PNaSS)；e)CPE在1000us f蒸發(fā)過程中溫度分布的數(shù)值模擬(EOD-FD和EOD-EPD))50°C下不同干燥方法制備的CPE的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖4.不同方法制備的馬鈴薯蒸發(fā)器的水分傳輸能力和蒸發(fā)性能。a)CPE吸水率隨時間的變化b)CPE在1KW·m?2太陽下的質(zhì)量變化c)CPE在1KW·m?2太陽和3.5wt.%鹽水下的蒸發(fā)速率和能量效率d)3.5wt.%鹽水中CPE的拉曼光譜和H伸縮能區(qū)的拉曼光譜和擬合曲線(EOD-EPD-PNaSS)與碳化生物基材料的能效和水蒸發(fā)率的比較。

圖5.EOD-EPD-PNaSS馬鈴薯蒸發(fā)器的蒸發(fā)性能。a)3.5wt.%不同太陽光照度下CPE的質(zhì)量變化；b)蒸發(fā)器表面加入0.3g鹽晶體前后CPE在不同鹽分濃度下的蒸發(fā)速率和能量效率；c)3.5wt.%鹽分和1個太陽光照下CPE 10h的蒸發(fā)性能測試；e)在500us的CPE過程中從頂部向下方水體的鹽分回流的數(shù)值模擬。

圖6.用于長期海水淡化和戶外測試的EOD-EPD-PNaSS土豆蒸發(fā)器。a)戶外測試的照片。b)在5天的循環(huán)試驗(yàn)中3.5wt.%鹽水溶液的質(zhì)量變化和蒸發(fā)速率。c)上午9時至下午18時在陜西西安市進(jìn)行的室外蒸發(fā)試驗(yàn)中的太陽強(qiáng)度、蒸發(fā)率和溫度。

本研究展示了一種通過CO?氣流爆破膨化干燥來制造生物質(zhì)基蒸發(fā)器的可擴(kuò)展、低成本策略。該工藝建立了一種通用機(jī)制，即通過CO?膨脹調(diào)控孔隙結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一個高度多孔且互連的網(wǎng)絡(luò)，從而促進(jìn)快速水傳輸和均勻的熱量分布。PNaSS的引入賦予了蒸發(fā)器增強(qiáng)的界面親水性和離子功能，這不僅加強(qiáng)了水的親和力、促進(jìn)了離子傳輸，還抑制了長期運(yùn)行中的鹽分積累。膨化多孔結(jié)構(gòu)和PNaSS改性界面的協(xié)同作用顯著降低了蒸發(fā)焓，同時提高了蒸發(fā)效率和結(jié)構(gòu)耐久性。這項(xiàng)工作不僅闡明了PNaSS與生物質(zhì)基體之間的界面相互作用機(jī)制，也為設(shè)計(jì)高效光熱材料提供了一個通用策略。此外，CO?爆破膨化干燥的概念在更廣泛的應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力，包括廢水凈化、污染物去除和可持續(xù)水處理技術(shù)。

Niu, Y., Yuan, Y., Wang, Y., et al. Scalable CO?-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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資料整理：雷幸悅（陽光凈水）

編輯：環(huán)境與能源功能材料

雷幸悅（陽光凈水課題組）

【資料整理】雷幸悅：資源與環(huán)境碩士研究生。

陽光凈水課題組：主要研究方向?yàn)樯镔|(zhì)基環(huán)境功能材料、太陽能蒸發(fā)材料、磁性吸附材料、污染物吸附和環(huán)境催化反應(yīng)機(jī)理。

詳細(xì)內(nèi)容看課題組主頁：

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

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殼聚糖丨纖維素丨MOF材料丨石墨烯丨碳納米管丨MXenes丨硫化鉬丨催化材料丨蒸發(fā)材料丨吸附材料丨電極材料丨除磷材料丨產(chǎn)氫材料

2025年9月，國際TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發(fā)表了陽光凈水課題組題為“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的綜述性論文。根據(jù)Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述多功能和可持續(xù)殼聚糖基界面蒸發(fā)材料在廢水處理和水凈化中應(yīng)用的綜述性論文。本文總結(jié)了殼聚糖基太陽能界面蒸發(fā)器（CS-SIE）四種類型（水凝膠、氣凝膠、海綿和膜）、五種改性材料和在水污染控制中應(yīng)用。最后，總結(jié)了CS-SIEs在際應(yīng)用中仍面臨挑戰(zhàn)。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化學(xué)改性及其在生物、環(huán)境、制藥、食品等領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用，最新中科院分區(qū)：8.50/二區(qū)TOP期刊。

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2024年06月08日，國際期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發(fā)表了陽光凈水課題組題為“Sustainable chitosan-based materials as heterogeneous catalyst for application in wastewater treatment and water purification: An up-to-date review”綜述論文。根據(jù)Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述殼聚糖基異相催化劑在廢水處理和水凈化中應(yīng)用的綜述性論文。本綜述概述了金屬氧化物/殼聚糖基復(fù)合材料（MOs@CSbMs）、金屬硫化物/殼聚糖基復(fù)合材料（MSs@CSbMs）、鉍基半導(dǎo)體/殼聚糖基復(fù)合材料（BibSCs@CSbMs）、金屬有機(jī)框架/殼聚糖基復(fù)合材料（MOFs@CSbMs）和納米零價金屬/殼聚糖基復(fù)合材料（NZVMs@CSbMs）等5種Cat@CSbMs材料的制備策略及作為助催化劑、光催化劑、類芬頓試劑在處理各類廢水中的應(yīng)用進(jìn)展。該綜述不僅加深了對環(huán)境功能材料與環(huán)境污染控制作用的理解，也為未來Cat@CSbM在污染物吸附和富集、光催化氧化降解污染物和還原金屬離子等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了參考和啟示。該論文自2024年6月發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用43次（Web of Science），2025年5月起入選ESI高被引論文。

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2024年 12 月 24 日，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發(fā)表了 陽光凈水課題組 題為 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 綜述論文。本綜述全面總結(jié)了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高廢水處理和水凈化的有效改性策略，并重點(diǎn)闡述了MoS2bMats在環(huán)境污染物吸附、光催化降解和還原、Fenton高級氧化、PMS/PS活化氧化、廢水脫鹽（膜過濾和太陽能蒸發(fā)脫鹽）等方面的應(yīng)用。最后，討論并提出了 MoS 2 bMats 理論研究與應(yīng)用之間存在差距、工程挑戰(zhàn)、未來的研究方向和機(jī)遇。 該論文自 2024 年 12 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用23 次（ Web of Science ）。

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2025年 06 月 ，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “Sustainable chitosan-based adsorbents for phosphorus recovery and removal from wastewater: A review” 最新 綜述論文。本文全面綜述了用于廢水中磷回收和去除的殼聚糖基吸附材料（CSMats）的性質(zhì)、改性方法、影響因素。同時，總結(jié)了CSMats吸附去除水體磷的主要作用機(jī)理（氫鍵、靜電作用、路易斯酸堿相互作用、配體/離子交換和表面沉淀作用）。此外，還歸納了CSMats的再生方法、連續(xù)流處理和在實(shí)際廢水中應(yīng)用。 最后，討論了 CSMats除磷材料面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向?！?International Journal of Biological Macromolecules 》主要聚焦于天然大分子的化學(xué)改性及其在生物、環(huán)境、制藥、食品等領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用，2025年6月最新影響因子/中科院分區(qū)： 8. 50/ TOP 期刊。該論文自 2024 年1 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用8 次（Web of Science ），國際引用占比75%。

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2024 年 1 月，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的綜述性論文。更清潔、更安全的環(huán)境是未來最重要的要求之一。與傳統(tǒng)材料相比，殼聚糖具有豐富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和親水性，是一種更環(huán)保的功能材料。由于殼聚糖分子鏈上豐富的 -NH2 和 -OH 基團(tuán)可以有效地與各種金屬離子螯合，殼聚糖基材料作為金屬氧化物納米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撐基質(zhì)具有巨大的潛力。近年來，許多殼聚糖 / 金屬氧化物納米材料（ CS/MONM ）作為吸附劑、光催化劑、非均相類芬頓試劑和傳感器，在環(huán)境修復(fù)和監(jiān)測中具有潛在和實(shí)際的應(yīng)用。本綜述全面分析和總結(jié)了CS/MONMs復(fù)合材料的最新進(jìn)展，這將為CS/MONMs復(fù)合材料的制備和廢水處理應(yīng)用提供豐富而有意義的信息，并有助于研究人員更好地了解CS/MONMs復(fù)合材料在環(huán)境修復(fù)與監(jiān)測中的潛力。該論文自 2024 年 1 月線上發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用59 次（ Web of Science ），國際引用占比55.0%。

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2024 年 2 月，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發(fā)表了陽光凈水課題組題為 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的綜述性論文。污染物檢測和水凈化對于實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)和資源利用非常重要。構(gòu)建新型功能材料去除各種污染物也變得越來越重要和緊迫。本綜述總結(jié)了磁性殼聚糖（M-CSbMs）的3種可靠制備策略（原位策略、兩步策略和沉積后策略），并詳細(xì)介紹了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金屬離子、有機(jī)染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低濃度污染物等方面的研究進(jìn)展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面臨的挑戰(zhàn)和前景，以期促進(jìn)其在水凈化和固相萃取污染物方面的實(shí)際應(yīng)用。該論文自 2024 年 2 月發(fā)表以來，現(xiàn)已被引用 43 次（ Web of Science ）。

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