蒸发材料
近日，国际期刊《Chemical Engineering Journal》在线发表了题为《具有低蒸发焓和分级多孔结构的光热蒸发器用于高效光热蒸发》的研究性论文。该研究开发并系统评估了一种基于绿色室温合成的MOF-801 (MOF-801-GR)、单宁酸-铁 (TA-Fe³⁺) 和海藻酸钙 (CA) 组装于聚氨酯 (PU) 海绵表面的PTCM水凝胶蒸发器。通过简单的浸渍、物理交联和原位生成方法成功构建了具有微孔、介孔和大孔多级孔结构的复合蒸发器，文章深入探讨了其制备过程、微观结构、光热转换性能、水传输机制、蒸发焓降低、抗盐性、结构稳定性及其在实际水处理中的应用效果。研究阐明了该蒸发器在94.62%的高光吸收率、1026.62 J g⁻¹的低蒸发焓、高达96.16%的太阳能-蒸汽转换效率以及源自缺陷MOF和丰富亲水基团的协同效应方面的显著优势。在室内外实验中，该蒸发器在处理高浓度盐水（25 wt%）、真实海水以及含抗生素和染料的模拟废水时，均表现出高且稳定的蒸发速率（1个太阳光照下可达4.235 kg m⁻² h⁻¹）和超过99%的污染物去除率，其产水水质符合世界卫生组织饮用水标准。生命周期评估结果进一步表明，该PTCM蒸发器是一种绿色低碳材料，全球变暖潜能值相对较低。《Chemical Engineering Journal》是化学工程与技术领域的权威期刊，在化工、环境科学与工程领域具有重要影响力。
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利用太阳能界面光热蒸发技术进行海水淡化和废水净化，可有效缓解淡水资源短缺问题。然而，通过蒸发器的结构设计来提高蒸发速率和耐盐性仍然是一个挑战。本研究基于绿色室温合成的MOF-801、单宁酸-铁离子和海藻酸钙，并将其组装在聚氨酯海绵表面， 制备了PTCM水凝胶蒸发器 。该PTCM蒸发器包含微孔、介孔和大孔的多级孔结构，为水传输提供了多级通道。富含缺陷的MOF-801-GR使PTCM蒸发器含有羟基和羧基等亲水基团，这些基团能与水分子形成氢键，从而将PTCM蒸发器中水的蒸发焓有效降低至1026.62 J g⁻¹。在1.0个太阳光照强度下，PTCM蒸发器具有4.235 kg m⁻² h⁻¹的优异蒸发速率和96.16%的高太阳能-蒸汽转换效率。所构建的PTCM蒸发器在处理高浓度盐水（25 wt%）和海水时，表现出优异的蒸发性能、高耐盐性和结构稳定性。在处理多种抗生素和染料废水时，PTCM蒸发器也展现出稳定的蒸发性能和优异的净化能力，去除率超过99%。借助生命周期评估，发现PTCM蒸发器的全球变暖潜能值相对较低。本工作为太阳能技术在海水淡化和废水净化等水处理方向的应用提供了新视角。
随着全球人口持续增长和工业化进程不断加速，淡水资源的短缺问题日益严峻，已对农业、工业乃至日常生活产生了深远影响。太阳能界面光热蒸发技术作为一种创新解决方案，能够通过高效的能量转换和水分子快速蒸发，从海水或污水中提取淡水，为缓解全球淡水危机提供了一条可持续且环境友好的路径。为了提升该技术的性能，关键在于增加太阳能吸收、减少热损失、增强水传输速率并防止盐结晶堵塞。其中，光热材料作为蒸发器的核心，其开发备受关注。与传统昂贵且制备复杂的碳基材料相比，天然广源的单宁酸与三价铁离子形成的络合物成为一种成本更低、对水环境更友好的光吸收材料。同时，水凝胶因其三维网络结构、高比表面积、强亲水性以及优异的光热转换能力，被认为是理想的蒸发器基底材料。特别是可生物降解的海藻酸钙水凝胶，能有效提高亲水性、水传输效率并防止盐沉积。 然而，海藻酸钙基水凝胶在机械性能和结构稳定性方面存在不足，易开裂变形，影响其长期稳定运行。因此，迫切需要对该类水凝胶蒸发器进行改性与增强，以实现在海水淡化等领域的长效稳定应用。
富含缺陷的MOF-801-GR显著降低了PTCM的蒸发焓。
成功制备了具有高蒸发性能和光吸收能力的PTCM蒸发器。
PTCM在25 wt%高浓度盐水中仍保持高蒸发速率和优异抗盐性。
通过生命周期评估发现PTCM具有相对较低的全球变暖潜能值。
PTCM在海水淡化和废水净化应用中表现出卓越性能。
图1. (aPTCM水凝胶制备工艺示意图。(b-c)PU海绵、(d-e)MOF-801-GR和(f-i)PTCM的扫描电子显微镜图像。
图2.(a)通过MIP和BET得到了PTCM和PU海绵的孔隙率分布。(b-c)PU海绵、PTC、PTCM和MOF801-GR的X射线衍射谱和FTIR谱。PTCM的XPS谱：(d)测量光谱，(e)C_1 S，(f)O_1 S，(g)Zr_3d。(h)与PTCM接触后0.040s时的水滴状态。(i）PC、PTC、PCM和PTCM的吸水率。(j)PTC和PTCM的热重分析曲线。
图3.(a)PU海绵、PC、PTC、PCM和PTCM在UV-VIS-NIR范围内的光吸收。(b)在1.0个太阳照射下不同时间的PTCM红外图像。(c)纯水、PU海绵、PC、PTC、PCM和PTCM在1.0个太阳照射下的表面温度变化。(d)使用PTCM蒸发器的太阳能驱动的水利用示意图。(e)纯水、PU海绵、PC、PTC、PCM和PTCM在1.0个太阳照射下的质量变化和(f)蒸发速率。(g)不同太阳光强下PTCM的(g)表面温度、(h)质量变化和(i)蒸发速率。
图4.(a)纯水、PC、PTC、PCM和PTCM在25◦C下的蒸发热。(b)PTCM的拉曼光谱。(c)不同蒸发器的IW/FW比率。(d)不同MOF基太阳能蒸发器的蒸发率比较。
图5.在1.0个太阳照射下，PTCM在3.5、15和25wt%氯化钠中的(a)质量变化和(b)蒸发速率。(c)在1.0个太阳下PTCM在3.5wt%的氯化钠中进行15个循环的蒸发实验，其蒸发率和太阳能-水蒸气转换效率。(d)PTCM水凝胶在盐水中蒸发时的表面照片(25wt%)。(e)PTCM水凝胶表面盐溶过程的照片。在1.0个太阳辐射下，PTCM在纯水和海水中的(f)质量变化和(g)蒸发速率。(h)海水中PTCM在1.0个太阳光下15次蒸发循环的蒸发率和太阳能-水蒸气转换效率。
图6.(a)自制的室外蒸发装置示意图和(b)实际室外蒸发装置照片。(c)在室外蒸发实验中PTCM水凝胶的太阳强度和表面温度以及(d)PTCM水凝胶蒸发时周围空气的温度和相对湿度。(e)PTCM水凝胶在不同时间的蒸发速率。(f)收集到的水质与世界卫生组织标准的比较。
图7.在1.0个太阳照射下，PTCM在罗丹明B (10 mg L-1)、MB (10 mg L-1)、TC (10 mg L-1)和NOX (10 mg L-1)中的(a)质量变化和(b)蒸发速率。PTCM水凝胶光热蒸发前后(c)RhB、(d)MB、(e)TC和(f)NOX污染物的吸光度比较。
图8.(a)PTCM和(b)PTCM-ST蒸发器的环境概况。(c)PTCM和(d)PTCM-ST蒸发器的每种工艺或材料的相对CO2排放量。(e)PTCM和PTCM-ST蒸发器的初步生命周期影响评估比较。
本研究以聚氨酯海绵为基底，通过简单的浸渍、物理交联和原位合成方法，成功将MOF-801-GR、TA-Fe³⁺和海藻酸钙组装在其表面，制备了PTCM蒸发器。该蒸发器具有多级孔结构和丰富的亲水基团，确保了水能够快速传输至蒸发界面。TA-Fe³⁺中的酚羟基以及富含缺陷的MOF-801-GR中的羧基和羟基等亲水基团能与水分子形成氢键，从而降低了PTCM蒸发器中水的蒸发焓。这使得PTCM蒸发器在1.0个太阳光照强度下表现出4.235 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率和96.16%的太阳能-蒸汽转换效率。重要的是，PTCM蒸发器在处理高浓度盐水和海水时，展现出高蒸发性能、高耐盐性和长使用寿命。该蒸发器对抗生素和有机染料废水也具备优异的净化能力。生命周期评估结果表明，PTCM蒸发器在所有环境影响类别中均是一种绿色低碳材料。这表明PTCM蒸发器在太阳能水处理应用中具有巨大潜力。
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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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。承担国家自然科学基金项目、浙江省自然科学基金探索项目、浙江省自然科学基金（联合基金）探索项目、市科技计划项目等十余项。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等期刊上发表或接收SCI收录论文100余篇；中科院TOP期刊综述论文9篇（其中Chitosan 5篇）；发表论文被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期刊引用超过6300次，篇均被引次数超过60次，单篇论文最高被引用次数为520次；19篇论文（曾）入选ESI高被引论文和7篇论文（曾）入选热点论文。
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42次（Web of Science），2025年5月入选ESI高被引论文。其中被国外学者引用25次，国际引用占比60%。
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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-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高废水处理和水净化的有效改性策略，并重点阐述了MoS2bMats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 19 次（ Web of Science ），国际引用占比55.5%。
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2025年 06 月 ，国际期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》发表了阳光净水课题组题为 “Sustainable chitosan-based adsorbents for phosphorus recovery and removal from wastewater: A review” 最新 综述论文。本文全面综述了用于废水中磷回收和去除的壳聚糖基吸附材料（CSMats）的性质、改性方法、影响因素。同时，总结了CSMats吸附去除水体磷的主要作用机理（氢键、静电作用、路易斯酸碱相互作用、配体/离子交换和表面沉淀作用）。此外，还归纳了CSMats的再生方法、连续流处理和在实际废水中应用。 最后，讨论了 CSMats除磷材料面临的挑战和未来发展方向。《 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，2025年6月最新影响因子/中科院分区： 8. 50/ TOP 期刊。该论文自 2024 年1 月线上发表以来，现已被引用8 次（Web of Science ），国际引用占比75%。
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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59 次（ Web of Science ），国际引用占比55.0%。
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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 41 次（ Web of Science ）。
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声明： 1 、环境与能源功能材料公众号分享国际生物质（壳聚糖、纤维素、木质素、海藻酸等）功能材料、太阳能蒸发材料、新型吸附材料、碳基（石墨烯、碳纳米管、碳量子点、生物炭、富勒烯等）材料、 MOFs/HOFs/COFs 材料、光催化材料、 Fenton 材料、产氢材料等相关前沿学术成果，以及其它相关数据处理方法、论文写作和论文投稿等信息，无商业用途。本公众号尊重原创和知识产权人的合法权利。如涉及侵权，请立刻联系公众号后台或发送邮件，我们将及时修改或删除。 2 、部分图片和资源来源网络或转摘其它公众号！凡注明 " 来源： xxx （非本公众号） " 的作品，均转载自其它媒体，转载目的在于传递更多信息，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责，且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。 3 、外文文献翻译目的在于传递更多国际相关领域信息。外文文献由课题组研究生翻译，因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大家批评指正。 4 、欢迎环境与能源材料相关研究成果提供稿件，环境与能源功能材料公众号将会及时推送。联系邮箱： 99282304@qq.com； 联系微信号： LeoChuk 。
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