蒸發材料1120丨華僑大學CEJ論文： 具有低蒸發焓和分級多孔結構的光熱蒸發器用于高效光熱蒸發

蒸發材料

近日，國際期刊《Chemical Engineering Journal》在線發表了題為《具有低蒸發焓和分級多孔結構的光熱蒸發器用于高效光熱蒸發》的研究性論文。該研究開發并系統評估了一種基于綠色室溫合成的MOF-801 (MOF-801-GR)、單寧酸-鐵 (TA-Fe3?) 和海藻酸鈣 (CA) 組裝于聚氨酯 (PU) 海綿表面的PTCM水凝膠蒸發器。通過簡單的浸漬、物理交聯和原位生成方法成功構建了具有微孔、介孔和大孔多級孔結構的復合蒸發器，文章深入探討了其制備過程、微觀結構、光熱轉換性能、水傳輸機制、蒸發焓降低、抗鹽性、結構穩定性及其在實際水處理中的應用效果。研究闡明了該蒸發器在94.62%的高光吸收率、1026.62 J g?1的低蒸發焓、高達96.16%的太陽能-蒸汽轉換效率以及源自缺陷MOF和豐富親水基團的協同效應方面的顯著優勢。在室內外實驗中，該蒸發器在處理高濃度鹽水（25 wt%）、真實海水以及含抗生素和染料的模擬廢水時，均表現出高且穩定的蒸發速率（1個太陽光照下可達4.235 kg m?2 h?1）和超過99%的污染物去除率，其產水水質符合世界衛生組織飲用水標準。生命周期評估結果進一步表明，該PTCM蒸發器是一種綠色低碳材料，全球變暖潛能值相對較低。《Chemical Engineering Journal》是化學工程與技術領域的權威期刊，在化工、環境科學與工程領域具有重要影響力。

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利用太陽能界面光熱蒸發技術進行海水淡化和廢水凈化，可有效緩解淡水資源短缺問題。然而，通過蒸發器的結構設計來提高蒸發速率和耐鹽性仍然是一個挑戰。本研究基于綠色室溫合成的MOF-801、單寧酸-鐵離子和海藻酸鈣，并將其組裝在聚氨酯海綿表面， 制備了PTCM水凝膠蒸發器 。該PTCM蒸發器包含微孔、介孔和大孔的多級孔結構，為水傳輸提供了多級通道。富含缺陷的MOF-801-GR使PTCM蒸發器含有羥基和羧基等親水基團，這些基團能與水分子形成氫鍵，從而將PTCM蒸發器中水的蒸發焓有效降低至1026.62 J g?1。在1.0個太陽光照強度下，PTCM蒸發器具有4.235 kg m?2 h?1的優異蒸發速率和96.16%的高太陽能-蒸汽轉換效率。所構建的PTCM蒸發器在處理高濃度鹽水（25 wt%）和海水時，表現出優異的蒸發性能、高耐鹽性和結構穩定性。在處理多種抗生素和染料廢水時，PTCM蒸發器也展現出穩定的蒸發性能和優異的凈化能力，去除率超過99%。借助生命周期評估，發現PTCM蒸發器的全球變暖潛能值相對較低。本工作為太陽能技術在海水淡化和廢水凈化等水處理方向的應用提供了新視角。

隨著全球人口持續增長和工業化進程不斷加速，淡水資源的短缺問題日益嚴峻，已對農業、工業乃至日常生活產生了深遠影響。太陽能界面光熱蒸發技術作為一種創新解決方案，能夠通過高效的能量轉換和水分子快速蒸發，從海水或污水中提取淡水，為緩解全球淡水危機提供了一條可持續且環境友好的路徑。為了提升該技術的性能，關鍵在于增加太陽能吸收、減少熱損失、增強水傳輸速率并防止鹽結晶堵塞。其中，光熱材料作為蒸發器的核心，其開發備受關注。與傳統昂貴且制備復雜的碳基材料相比，天然廣源的單寧酸與三價鐵離子形成的絡合物成為一種成本更低、對水環境更友好的光吸收材料。同時，水凝膠因其三維網絡結構、高比表面積、強親水性以及優異的光熱轉換能力，被認為是理想的蒸發器基底材料。特別是可生物降解的海藻酸鈣水凝膠，能有效提高親水性、水傳輸效率并防止鹽沉積。 然而，海藻酸鈣基水凝膠在機械性能和結構穩定性方面存在不足，易開裂變形，影響其長期穩定運行。因此，迫切需要對該類水凝膠蒸發器進行改性與增強，以實現在海水淡化等領域的長效穩定應用。

• 富含缺陷的MOF-801-GR顯著降低了PTCM的蒸發焓。

• 成功制備了具有高蒸發性能和光吸收能力的PTCM蒸發器。

• PTCM在25 wt%高濃度鹽水中仍保持高蒸發速率和優異抗鹽性。

• 通過生命周期評估發現PTCM具有相對較低的全球變暖潛能值。

• PTCM在海水淡化和廢水凈化應用中表現出卓越性能。

圖1. (aPTCM水凝膠制備工藝示意圖。(b-c)PU海綿、(d-e)MOF-801-GR和(f-i)PTCM的掃描電子顯微鏡圖像。

圖2.(a)通過MIP和BET得到了PTCM和PU海綿的孔隙率分布。(b-c)PU海綿、PTC、PTCM和MOF801-GR的X射線衍射譜和FTIR譜。PTCM的XPS譜：(d)測量光譜，(e)C_1 S，(f)O_1 S，(g)Zr_3d。(h)與PTCM接觸后0.040s時的水滴狀態。(i）PC、PTC、PCM和PTCM的吸水率。(j)PTC和PTCM的熱重分析曲線。

圖3.(a)PU海綿、PC、PTC、PCM和PTCM在UV-VIS-NIR范圍內的光吸收。(b)在1.0個太陽照射下不同時間的PTCM紅外圖像。(c)純水、PU海綿、PC、PTC、PCM和PTCM在1.0個太陽照射下的表面溫度變化。(d)使用PTCM蒸發器的太陽能驅動的水利用示意圖。(e)純水、PU海綿、PC、PTC、PCM和PTCM在1.0個太陽照射下的質量變化和(f)蒸發速率。(g)不同太陽光強下PTCM的(g)表面溫度、(h)質量變化和(i)蒸發速率。

圖4.(a)純水、PC、PTC、PCM和PTCM在25?C下的蒸發熱。(b)PTCM的拉曼光譜。(c)不同蒸發器的IW/FW比率。(d)不同MOF基太陽能蒸發器的蒸發率比較。

圖5.在1.0個太陽照射下，PTCM在3.5、15和25wt%氯化鈉中的(a)質量變化和(b)蒸發速率。(c)在1.0個太陽下PTCM在3.5wt%的氯化鈉中進行15個循環的蒸發實驗，其蒸發率和太陽能-水蒸氣轉換效率。(d)PTCM水凝膠在鹽水中蒸發時的表面照片(25wt%)。(e)PTCM水凝膠表面鹽溶過程的照片。在1.0個太陽輻射下，PTCM在純水和海水中的(f)質量變化和(g)蒸發速率。(h)海水中PTCM在1.0個太陽光下15次蒸發循環的蒸發率和太陽能-水蒸氣轉換效率。

圖6.(a)自制的室外蒸發裝置示意圖和(b)實際室外蒸發裝置照片。(c)在室外蒸發實驗中PTCM水凝膠的太陽強度和表面溫度以及(d)PTCM水凝膠蒸發時周圍空氣的溫度和相對濕度。(e)PTCM水凝膠在不同時間的蒸發速率。(f)收集到的水質與世界衛生組織標準的比較。

圖7.在1.0個太陽照射下，PTCM在羅丹明B (10 mg L-1)、MB (10 mg L-1)、TC (10 mg L-1)和NOX (10 mg L-1)中的(a)質量變化和(b)蒸發速率。PTCM水凝膠光熱蒸發前后(c)RhB、(d)MB、(e)TC和(f)NOX污染物的吸光度比較。

圖8.(a)PTCM和(b)PTCM-ST蒸發器的環境概況。(c)PTCM和(d)PTCM-ST蒸發器的每種工藝或材料的相對CO2排放量。(e)PTCM和PTCM-ST蒸發器的初步生命周期影響評估比較。

本研究以聚氨酯海綿為基底，通過簡單的浸漬、物理交聯和原位合成方法，成功將MOF-801-GR、TA-Fe3?和海藻酸鈣組裝在其表面，制備了PTCM蒸發器。該蒸發器具有多級孔結構和豐富的親水基團，確保了水能夠快速傳輸至蒸發界面。TA-Fe3?中的酚羥基以及富含缺陷的MOF-801-GR中的羧基和羥基等親水基團能與水分子形成氫鍵，從而降低了PTCM蒸發器中水的蒸發焓。這使得PTCM蒸發器在1.0個太陽光照強度下表現出4.235 kg m?2 h?1的蒸發速率和96.16%的太陽能-蒸汽轉換效率。重要的是，PTCM蒸發器在處理高濃度鹽水和海水時，展現出高蒸發性能、高耐鹽性和長使用壽命。該蒸發器對抗生素和有機染料廢水也具備優異的凈化能力。生命周期評估結果表明，PTCM蒸發器在所有環境影響類別中均是一種綠色低碳材料。這表明PTCM蒸發器在太陽能水處理應用中具有巨大潛力。

Liu, CH., Xu, L., Wang, ZY., et al. Photothermal evaporator with low enthalpy of evaporation and hierarchical porous structure for efficient photothermal evaporation. Chemical Engineering Journal, 2025, 512, 162282.https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.162282.

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資料整理：雷幸悅（陽光凈水）

編輯：環境與能源功能材料

雷幸悅（陽光凈水課題組）

【資料整理】雷幸悅：資源與環境碩士研究生。

陽光凈水課題組：主要研究方向為生物質基環境功能材料、太陽能蒸發材料、磁性吸附材料、污染物吸附和環境催化反應機理。承擔國家自然科學基金項目、浙江省自然科學基金探索項目、浙江省自然科學基金（聯合基金）探索項目、市科技計劃項目等十余項。在Chem Eng J、Bioresour Technol、J Hazard Mater、Desalination、Carbohydr Polym、J Colloid Interf Sci、Sep Purif Technol、Ind Eng Chem Res、J Environ Manag、J Environ Sci等期刊上發表或接收SCI收錄論文100余篇；中科院TOP期刊綜述論文9篇（其中Chitosan 5篇）；發表論文被Chem Rev、Chem Soc Rev、Energ Environ Sci、Adv Mater、Coordin Chem Rev、Prog Polym Sci、Adv Funct Mater、Water Res、Adv Energy Mater等400余SCI期刊引用超過6300次，篇均被引次數超過60次，單篇論文最高被引用次數為520次；19篇論文（曾）入選ESI高被引論文和7篇論文（曾）入選熱點論文。

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材料丨吸附材料丨電極材料丨除磷材料丨產氫材料

2025年9月，國際TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發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Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述多功能和可持續殼聚糖基界面蒸發材料在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本文總結了殼聚糖基太陽能界面蒸發器（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用。最后，總結了CS-SIEs在際應用中仍面臨挑戰。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環境、制藥、食品等領域的工業應用，最新中科院分區：8.50/二區TOP期刊。

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2024年06月08日，國際期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發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用的綜述性論文。本綜述概述了金屬氧化物/殼聚糖基復合材料（MOs@CSbMs）、金屬硫化物/殼聚糖基復合材料（MSs@CSbMs）、鉍基半導體/殼聚糖基復合材料（BibSCs@CSbMs）、金屬有機框架/殼聚糖基復合材料（MOFs@CSbMs）和納米零價金屬/殼聚糖基復合材料（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用進展。該綜述不僅加深了對環境功能材料與環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領域的研究提供了參考和啟示。該論文自2024年6月發表以來，現已被引用42次（Web of Science），2025年5月入選ESI高被引論文。其中被國外學者引用25次，國際引用占比60%。

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2024年 12 月 24 日，國際期刊《 Separation and Purification Technology 》發表了 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，并重點闡述了MoS2bMats在環境污染物吸附、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脫鹽）等方面的應用。最后，討論并提出了 MoS 2 bMats 理論研究與應用之間存在差距、工程挑戰、未來的研究方向和機遇。 該論文自 2024 年 12 月線上發表以來，現已被引用 19 次（ Web of Science ），國際引用占比55.5%。

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2025年 06 月 ，國際期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》發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、改性方法、影響因素。同時，總結了CSMats吸附去除水體磷的主要作用機理（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、連續流處理和在實際廢水中應用。 最后，討論了 CSMats除磷材料面臨的挑戰和未來發展方向。《 International Journal of Biological Macromolecules 》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環境、制藥、食品等領域的工業應用，2025年6月最新影響因子/中科院分區： 8. 50/ TOP 期刊。該論文自 2024 年1 月線上發表以來，現已被引用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、更安全的環境是未來最重要的要求之一。與傳統材料相比，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，是一種更環保的功能材料。由于殼聚糖分子鏈上豐富的 -NH2 和 -OH 基團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，在環境修復和監測中具有潛在和實際的應用。本綜述全面分析和總結了CS/MONMs復合材料的最新進展，這將為CS/MONMs復合材料的制備和廢水處理應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復合材料在環境修復與監測中的潛力。該論文自 2024 年 1 月線上發表以來，現已被引用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現環境保護和資源利用非常重要。構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展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面臨的挑戰和前景，以期促進其在水凈化和固相萃取污染物方面的實際應用。該論文自 2024 年 2 月發表以來，現已被引用 41 次（ Web of Science ）。

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