AFM綜述：面向應用的界面太陽能蒸汽蒸發：后端工程與系統設計

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界面太陽能蒸汽蒸發（ISSE）技術因其利用太陽能生產清潔水的巨大潛力而備受關注。盡管在光熱材料和蒸發器設計方面已取得顯著進展，但在將該技術從實驗室研究轉化為實際應用的過程中，仍存在一個關鍵瓶頸：先進材料開發與實際系統工程之間存在明顯脫節。當前的研究工作仍主要聚焦于前端材料的“性能競賽”，而高效可靠的后端系統設計卻未能同步跟進。為彌合這一差距，本文采用后端工程視角，系統性地評估了ISSE技術的全鏈條發展，涵蓋先進材料設計、結構工程以及針對不同應用環境量身定制的蒸發效率提升策略。我們進一步總結了適用于跨介質協同蒸發系統（CMSES）典型場景的統一后端解決方案框架。最終，本綜述旨在闡明將理論進展轉化為實際應用的科學依據充分且具有工程實用性的路徑，從而推動ISSE技術從實驗室研究向實際應用的轉化。

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背景介紹

全球淡水短缺已成為21世紀最緊迫的挑戰之一。據聯合國統計，目前約有22億人口面臨嚴重缺水。氣候變化與人口增長正加速這一危機，預計到2050年，全球超過50%的人口將經歷水資源短缺。干旱地區、濱海鹽堿土及受污染水體的水資源匱乏問題尤為迫切。傳統水處理技術（如反滲透和多級閃蒸）雖能部分緩解水壓力，但仍面臨能耗高、成本高及二次污染風險等挑戰，難以滿足可持續發展要求。在此背景下，開發低碳、節能、環保的水資源再生技術，已成為應對“水質性缺水”與“水量性缺水”雙重挑戰的關鍵。

界面太陽能蒸汽蒸發（ISSE）技術利用地球豐富的太陽能，實現零碳排放、高效率及多場景廣泛適用性，為水資源可持續發展提供了新策略。該技術通過納米結構光熱材料將太陽能局域轉化為熱能，在氣-液界面驅動高效水蒸發，同時截留污染物，從而在海水淡化和廢水凈化等多種場景下生產清潔水。自2012年Neumann團隊提出光熱界面蒸發概念以來，ISSE技術發展迅速。利用CiteSpace對關鍵詞“太陽能界面蒸發”生成聚類時間線圖（圖1）顯示，自2015年起，該領域呈現顯著的跨學科增長，從最初的淡化研究擴展到廢水處理、土壤修復及大氣水收集等新興應用，尤其是2020年以來，展現出“水-氣-土”協同治理的潛力。圖2系統梳理了基于ISSE的多介質水提取技術發展歷程中的關鍵里程碑。這些進展標志著在光熱材料設計、蒸發機理探索及現場效率優化方面取得了顯著成就，催生了高性能材料的不斷涌現。然而，在這一蓬勃發展的研究格局中，技術成熟度與實際部署之間仍存在顯著差距。當前ISSE研究主要側重于前端光熱材料與蒸發器結構的開發，而對后端工藝及收集單元的工程設計關注相對較少。這種不平衡制約了實驗室規模演示向實際系統的轉化，尤其是在考慮長期運行、成本及凈產水量時。

基于此，本文從實際工程應用的角度，系統綜述了ISSE技術從材料創新到系統集成的完整研究鏈條。通過批判性地分析不同應用場景下后端工程面臨的關鍵挑戰，我們建立了通用解決方案框架，并引入了一種跨介質協同蒸發策略。本綜述為縮小太陽能驅動水生產技術實驗室研究與實際應用之間的差距，提供了理論基礎與技術路線圖。

相關成果以“Application-Oriented Interfacial Solar Steam Evaporation: Back-End Engineering and System Design”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。（ IF=19）

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研究數據

圖1. CiteSpace生成的“太陽能界面蒸發”關鍵詞聚類時間線圖。

圖2. 基于ISSE的多介質水提取技術發展時間線。

圖3. ISSE驅動的環境液態水收集機制示意圖。

圖4. 光熱效應的不同機制及其對應的光吸收范圍。

圖5. (a) 多功能蜂窩陶瓷板的數碼照片和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（b）CM-Ti2O3蒸發器和窄帶隙Ti2O3中電子-空穴生成與弛豫的示意圖。 (c) 四種具有不同尺寸的典型TiN納米顆粒的SEM圖像及其單顆粒暗場散射光譜。

圖6. (a) 仿生三維蒸發器的設計，其靈感源自鳥喙非對稱毛細管棘輪結構和捕蠅草口沿表面的超液態傳輸特性。(b) 三維折紙結構蒸發器的蒸發示意圖。(c) 基于所有冷蒸發表面，3D HCE從太陽光、周圍空氣和水體中獲取能量的示意圖。

圖7. (a) 具有異質結構的PVDF-SHPL太陽能驅動蒸發器的運行原理及熱局域化示意圖。(b) FJE 具有雙面結構。FJE 高效蒸發與耐鹽機制的示意圖。(c) 新型低熱損耗太陽能水蒸發裝置的示意圖。(d) 蘑菇狀結構中的熱行為示意圖。(e) 配備IWS太陽能蒸發器的3D示意圖。

圖8. (a) 由納米纖維水凝膠-還原氧化石墨烯膜構成的ISSG示意圖。(b) 由聚乙烯醇和聚苯乙烯磺酸鹽組成的互穿網絡示意圖。聚乙烯醇網絡限制了水量，使熱量局限于可蒸發水附近，而聚苯乙烯磺酸鹽網絡通過水-聚合物相互作用激活水分子。(c) 利用PCW-1進行界面太陽能蒸汽生成的機理示意圖。利用木材和PC-1降低水當量蒸發焓的示意圖。(d) 通過非晶態Ta2O5/C HoMS實現高效太陽能制蒸汽的示意圖。水蒸發過程的分子動力學（MD）模擬。

圖9. 純水和 PLH@OTS 的差示掃描量熱法（DSC）曲線。(b) JCB-海水、JCFeB-純水和JCFeB-海水的多指數T2弛豫譜。(c) CoMo LDH/水、L-CoMo LDH/水、PVA/水和PVA-Na2SO4/水的拉曼光譜。(d) 三種模型中界面水分子氫鍵網絡排列的瞬態圖像。

圖10. (a) 碳納米纖維增強碳氣凝膠的制備流程圖，以及不同放大倍數下的CNFA掃描電子顯微鏡圖像。(b) 通過HNT中的Al3+與海水中的Mg2+之間自發離子交換，在蒸發表面富集Mg2+的示意圖，該過程可使海水蒸發速度快于純水。(c) 戴森球概念及受戴森球啟發的蒸發器。(d) 用于在波浪狀油-鹵水混合物中實現高效穩定太陽能淡化的JMSEs。

圖11. (a) 基于Au@Ag-Pd/PS雙面納米-微米結構的界面太陽能蒸發器的示意圖，其中光熱轉換、熱局域化和供水過程實現了高效耦合。(b) C-ADM的自清潔過程依賴于晝夜循環。(c) 一種由具有強排斥力的多價陽離子交聯藻酸鹽與具有強光吸收能力和高導電性的聚吡咯組成的混合系統。(d) 聚電解質水凝膠聚丙烯酸鈉 [P(SA)] 提供的雙離子泵送和鹽分排斥效應示意圖。(e) 在所提出的非接觸式太陽能蒸發結構中，吸收器不與水接觸。 (f) 受睡蓮啟發的分層結構示意圖。

圖12. (a) 示意圖展示了雙模多孔巴沙木的微觀結構及其工作原理，該材料可作為高效、穩定、可擴展、環保且低成本的蒸發器，用于高鹽度鹵水的脫鹽處理。(b) 示意圖展示（左）自再生太陽能蒸發器設計，以及（右）蒸發器內的多向傳質過程。(c) SIFS蒸發器的示意圖及其表面特性分析。(d) 用于提升全天候高鹽度脫鹽效率的水膜效應及拱形雙面蒸發示意圖。

圖13. (a) 用于連續太陽能蒸汽生成和鹽回收的新型設計示意圖，以及太陽能蒸汽發生器在不同運行時段內連續運行的數碼照片。(b) 蒸發器的示意圖，以及在84小時鹽水太陽能蒸發過程中鹽沉積位置的照片。(c) 仿生三維蒸發器設計靈感的示意圖（超流體傳輸特性源自鳥喙的不對稱毛細管棘輪結構及牛蒡的唇面）以及頂部鹽結晶過程。(d) 基于三元分層結構的太陽能驅動蒸發器（THSE）示意圖，以及在1-2.5 kW/m2不同太陽輻射強度下的有效蒸發高度（L）。

圖14. (a) 水資源壓力（來源：世界資源研究所（WRI），Aqueduct國家排名工具）。 (b) 全球年平均相對濕度的地理分布（數據來源：CRU 0.5度數據集（New等人））。(c) ISSE驅動的大氣集水機制示意圖。

圖15. (a) 實驗測試臺的示意圖。(b) 不同吸附劑的吸附性能。(c) Zr6O4(OH)4(-COO)12二級構建單元通過富馬酸鹽相互連接，形成 MOF-801。(d) MOF-303 的晶體結構。(e) MIL-101(Cr)的晶體結構。(f) SMAG水凝膠。(g) LiCl@MIL-101(Cr)的晶體結構。(h) LiCl/PMS/CNTs 超吸水海綿。 (i) SAWE 系統架構及淡水制備性能。

圖16. (a) SAWH裝置的示意圖。SMPH氣凝膠集水過程以及現場測試中的吸水、釋水和集水過程。(b) 該裝置的實際生產工作示意圖。LiCl@CCP-PPy的吸濕機理及其吸濕性能。(c) 室外設備示意圖。基于ZrC的DES納米流體吸濕-蒸發過程，以及不同相對濕度下ZrC納米流體與ChCl/尿素的吸濕性。

圖17. (a) 雙級大氣水收集裝置的示意圖。水收集性能及實際安裝圖。(b) 帶熱回收循環的太陽能驅動SAWH原型機的運行原理，用于高效且快速循環地從空氣中收集水分。室內實驗中，相對濕度低于60%時的單循環水收集能力和累計收集水量。(c) 模塊化太陽能驅動空氣制水原型機的設計。吸附過程中的質量變化。(d) 太陽能驅動空氣制水裝置的示意圖。該裝置在現場測試期間產水量。

圖18. (a) 吸附器結構示意圖及集水裝置示意圖。ACF-LiCl 通過 ASAP 測得的吸附等溫線。(b) 用于實時輸出收集水的裝置示意圖，其中包括一臺紅外熱成像儀。上午9:30至下午16:00脫附過程中的實時水質量輸出。(c) 集水器的結構示意圖。裝置的集水性能。(d) 本文所述集水器裝置的示意圖。在受控環境下進行的24小時壓力測試。

圖19. (a) 自然日光下土壤集水系統的設計。白銀騰格里沙漠集水裝置的集水速率及照片。(b) 采用太陽能驅動的界面水蒸發系統進行土壤水分提取。“單太陽”輻照強度下的土壤水分蒸發效率及大型C800-ZIF8 WS裝置的照片。(c) 配備PMMA冷凝器、TCP-Li及植物的TEAD結構示意圖。室外測試期間的累計單位面積產水量與產水速率，以及演示過程中TEAD原型的照片。(d) 嵌入沙質水體中的人工植物示意圖。2D薄膜與3D HPG的質量變化直方圖，顯示出顯著增加的水分蒸發量。(e) 土壤取水概念示意圖。用于土壤取水的實驗室實驗裝置組裝示意圖，以及不同加熱功率下不同沙樣約12小時后的總取水量。

圖20. (a) 基于CCD@wooden的便攜式蒸發器的示意圖及其蒸發性能。(b) 受帳篷啟發的便攜式太陽能驅動凈水裝置在野外探險中的實際應用及其便攜性。(c) 用于高效水循環的可折疊便攜式太陽能驅動電滲析系統，以及生產不同1 kg系統所產生的環境成本比較。

圖21. (a) 全球重金屬污染的總體分布。(b) 全球鹽漬化土壤分布圖：底土層（30-100 厘米）（來源：糧農組織。2021。《全球鹽漬化土壤圖（GSASmap）v1.0》。載于：糧農組織。羅馬。）(c) ISSE驅動的土壤水收集機制示意圖。

圖22. (a) 模擬鹽漬化土壤修復系統的實驗裝置及仿生鹽分收集機制。(b) 太陽能驅動修復系統的示意圖。四種主要堿金屬離子的去除率，以及處理前后鹽漬化土壤中西蘭花發芽率的差異。(c) 基于非接觸式紙基柱狀太陽能脫鹽陣列的零廢水排放、無淡水消耗鹽堿地土壤修復策略示意圖。

圖23. (a) BML蒸發器的原理示意圖。水和重金屬離子的遷移與擴散機制。重金屬去除性能。(b) 展示實際樹木啟發式太陽能驅動修復系統的示意圖。SDER處理前后土壤孔隙水中重金屬含量。

圖24. (a) 太陽能界面蒸發裝置的示意圖、光催化降解機理圖，以及PCC-IS/M@TiO2對MB和RhB的降解效率數據圖。(b) 催化蒸發器的示意圖。處理前后溶液的照片，以及不同催化蒸發器處理模擬有機廢水效率的數據圖。(c) Fe-BTEC/GPE復合蒸發器用于水蒸發及有機污染物光芬頓降解的示意圖。不同體系中TC的降解速率及降解速率常數。Fe-BTEC上過氧化氫解離過程的示意圖（DFT計算）。(d) 說明MCW蒸發器結構賦能多功能設計機理的示意圖。M20CW3-d蒸發器在1太陽照度下MO的催化降解速率及對應速率常數。蒸發與降解性能的比較。

圖25. (a) 示意圖展示了基于生物質的CCAP-CCA雙面結構用于重金屬富集和生產潔凈飲用水的先進工藝。(b) GDY的C-18環示意圖，以及通過GDY-HoMS實現的高效太陽能蒸汽生成過程。(c) 基于高粱秸稈聚吡咯表面改性的蒸發器制備工藝去除納米塑料的示意圖。超純水、受納米塑料污染的水及其凈化水的zeta電位。凈化前后受納米塑料污染的水樣透射電子顯微鏡（TEM）圖像。(d) 1倍太陽光照下ISEP去除微塑料的機理。不同微塑料濃度。過濾原海水及經ISEP處理的海水后濾膜的顯微圖像。(e) 太陽能蒸發與微塑料去除的多級結構設計示意圖。蒸發前后收集的聚乙烯（PE）的光學圖像。(f) RGO/TiO2反應器實現微塑料光催化升級利用及光熱蒸發驅動產物分離的示意圖。原位傅里葉變換紅外（FTIR）成像用于確認微塑料樣品的成分。微塑料轉化與產物收集裝置的示意圖及光學圖像。碳酸鋇固體產物的制備。插圖為收集到的碳酸鋇產物（純度>99%）。

圖26. (a) 離網及應急ISSE系統后端解決方案框架圖。 (b) 鹽堿地修復框架中ISSE系統的后端解決方案框架圖。 (c) 特殊廢水蒸發-催化協同凈化后端解決方案框架圖。

圖27. 便攜式個人凈水器（a）和撬裝式跨介質太陽能蒸發系統（b）的示意圖。

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https://doi.org/10.1002/adfm.75423

團隊簡介

近幾年，云南大學萬艷芬教授團隊一直致力于界面太陽能凈水與清潔能源聯產領域的研究。為突破傳統海水淡化效率瓶頸，本團隊系統梳理了界面太陽能蒸發系統中質量與能量傳遞全鏈條研究，并構建了多尺度傳熱傳質模型。此外，本團隊還采用多維結構設計——包括具備卓越熱管理性能的3D杯狀結構、實現熱能回收的空間圖案化結構，以及仿生多級蒸發系統——從而實現高效水分蒸發、潛熱回收與同步發電。以下是本團隊近年來在該領域的取得的系列成果：

l 光熱海水淡化中的能質量傳遞綜述：https://doi.org/10.1002/adma.202510796

l 光-空間-熱一體化三維太陽能蒸發器：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156826

l 降低蒸發焓綜述：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109434

l 空間圖案化結構回收熱量損失：https://doi.org/10.1021/acsami.3c19577

l 多級蒸發聯產電力系統： https://doi.org/10.1002/smll.202302943

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143047

l 太陽能蒸汽發電耦合可穿戴傳感：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105700

l 太陽能海水淡化協同熱電發電：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.05.023

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104298