天大/天商陳冠益&電子科大于淼EES Perspective：用于資源和能源回收的先進太陽能界面蒸發技術

天津大學/天津商業大學陳冠益教授團隊與電子科技大學于淼教授團隊EES Perspective：用于資源和能源回收的先進太陽能界面蒸發技術

【研究背景】

在全球能源/資源短缺與環境惡化的雙重挑戰下，推動可持續發展迫在眉睫。海水、工業廢水等水體中蘊藏著豐富的鋰、鈾等戰略性礦產資源，同時含有可觀的化學能與熱能，具備顯著的資源和能源價值。太陽能界面蒸發技術（SIE）為從上述水體中同時回收淡水、高值礦物及能源提供了一條低碳、可持續的新路徑。然而，目前該技術仍存在若干瓶頸，例如：揮發性有機物易隨蒸汽遷移而影響水質；在復雜水基質中對目標組分的選擇性分離效率仍不理想；實現多功能集成的SIE系統尚需兼顧能量效率與資源回收效益的平衡等。

針對上述挑戰，天津大學/天津商業大學陳冠益教授團隊與電子科技大學于淼教授團隊在能源與環境科學領域權威期刊《Energy & Environmental Science》上合作發表了題為“Advanced solar-driven interfacial evaporation technology for resource and energy recovery”的Perspective文章。天津大學/天津商業大學陳冠益教授，電子科技大學于淼教授和香港城市大學于楨博士為論文共同通訊作者。天津大學崔孝強副教授為本文第一作者。本研究得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金的支持。該文系統梳理了SIE技術在資源與能源回收方向的最新研究進展，并首次構建了針對相關過程的動力學與熱力學分析框架，為設計下一代高效、可持續的SIE系統提供了理論依據與科學指導。

【文章概要】

1. 清潔水生產

當前，SIE系統在處理非揮發性廢水方面已展現出良好的運行穩定性。然而，在處理含揮發性有機污染物（VOCs）的廢水時，VOCs在蒸發?冷凝過程中的共遷移問題嚴重制約了產水水質。現有攔截方法，如耦合高級氧化、吸附等技術，雖可實現99%以上的VOCs去除率，但蒸發速率、降解速率與VOCs截留效率之間的動力學關系仍缺乏系統揭示。針對這一關鍵問題，本研究首次構建了VOCs截留效率的耦合動力學模型。模型表明，提高降解速率常數與采用分級反應器設計是提升VOCs攔截效率的重要途徑。此外，實際水體中多污染物共存的特點及二次污染物等問題，凸顯了未來研究需聚焦于污染物選擇性降解與資源化轉化技術的開發。

圖1 用于清潔水生產的SIE系統

2. 礦物回收

除鹽生產外，SIE系統還可用于從海水等水體中回收具有重要戰略價值的礦物元素，如鋰、鈾、硼、銫等。本文綜述了近年來面向礦物元素回收的SIE系統的研究進展，并進一步提出了“蒸發誘導的多場協同吸附”調控機制。研究發現，在不同元素的提取過程中，各物理場（如熱場、濃度場、電場等）的貢獻比例存在差異，表明吸附劑本征物理化學性質主導著多場協同效應的實際表現。為提升系統在復雜水體中的資源回收效率，后續需重點開發具有高選擇性的功能吸附材料，并構建“光熱吸附?膜分離”等多技術協同的集成系統，從而實現多種資源的高效和梯級回收。

圖2 用于礦物回收的SIE系統

3．能源與燃料生產

本研究還系統梳理了SIE系統在水-電聯產和燃料生產領域的相關進展。在水-電聯產方面，光伏耦合系統因其較高的輸出功率密度而展現出良好的應用前景。為提升其他SIE耦合發電系統的輸出功率，仍需在材料設計和界面結構上進行深入優化。開發面向微功率需求的應用場景，如自供電、自清潔、生物傳感等，可能成為推動SIE耦合發電系統走向商業化的關鍵路徑。在燃料生產方面，SIE系統可與光催化或電催化過程相結合，用于制氫或合成氨等。總體而言，SIE耦合燃料生產系統主要通過以下機制發揮作用：降低反應能壘、提供純凈反應環境以避免設備腐蝕、濃縮反應前驅體或及時分離目標產物等。該耦合系統能夠減少對傳統電網和淡水資源依賴，從而構建更為節能與可持續的燃料合成路徑。為全面評估SIE耦合燃料生產系統的性能，本研究以SIE耦合制氫為例，對不同工藝路線（SIE耦合電催化與SIE耦合光催化系統）進行了?分析。結果顯示，SIE耦合電催化系統具有更高的實際?效率。研究進一步指出，未來需著力提升催化劑本征活性、優化系統能質傳輸匹配，并解決產物收集、純化及系統長期運行穩定性等工程實踐問題。

圖3 用于電力回收的SIE系統

圖4 用于燃料生產的SIE系統

【總結與展望】

SIE系統正從單一的“水凈化”向“資源?能源工廠”模式轉變，在分布式海水淡化、廢水處理、礦物提取與清潔燃料合成中展現出廣闊前景。未來發展的重點包括：建立涵蓋制備工藝、穩定性、環境與生命周期成本的材料評價體系；優化系統冷凝效率、提升系統集成度與規模化運行可靠性；發展基于成本?效益分析與資源潛力的多產品優先級回收策略；結合地域氣候、水質特征與政策支持，開展因地制宜的系統設計與生態影響評估。通過多維度協同創新，SIE技術有望為實現可持續水?能?資源循環提供關鍵技術支撐。

圖5 展望

本文鏈接：https://doi.org/10.1039/D5EE05041C