四川农业大学赵洋、傅俊衡团队:调控缺陷型氧化钨气凝胶蒸发器强化太阳能蒸汽生成与重金属吸附，助力农业灌溉|傅俊衡|四川农业大学|太阳能|气凝胶|氧化钨气|蒸发器|赵洋|重金属

调控缺陷型氧化钨气凝胶蒸发器强化太阳能蒸汽生成与重金属吸附，助力农业灌溉

题目：Tailoring Defective Tungsten Oxide Aerogel Evaporator for Enhanced Solar Steam Generation and Heavy Metal Adsorption Toward Agricultural Irrigation

作者：Baihang Cai, Wei Zhao, Zhonghua Yuan, Jie Xiao, Dajun Li, Yuntao Cui, Yanru Wang, Chenglu Jiang, Yun Zeng, Yingjun She, Jiangtao Zhao, Hongzhang Wang, Yang Zhao, Jun-Heng Fu

DOI:10.1002/cnl2.70149

链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70149

第一作者：蔡佰航

通讯作者：崔云涛、汪鸿章、赵洋、傅俊衡

单位：四川农业大学，中科院理化所，清华大学深圳国际研究生院

研究背景

全球碳中和目标推进下，水资源短缺与工业废水重金属污染形成双重制约，既加剧生态环境压力，也成为农业灌溉等民生领域水资源可持续利用的重要阻碍，严重影响绿色低碳发展进程。太阳能驱动界面蒸发凭借零碳排、可持续的优势，成为海水淡化与废水净化的重要技术路径，但现有光热材料多依赖化石基碳材料或贵金属，存在成本高、可再生性差、光谱吸收效率有限等问题；生物质基复合材料虽具环保优势，却因本征带隙宽导致光热转换效率偏低，难以同时实现高效蒸汽生成与重金属吸附的协同功能，亟待通过材料设计突破技术瓶颈。

在碳中和目标引领水资源循环利用与环境修复技术升级的背景下，缺陷工程作为精准调控半导体材料电子结构、优化界面物化性能的核心手段，正成为突破光热-吸附多功能材料设计瓶颈的关键方向。其中氧空位缺陷型氧化钨凭借独特的结构与性能优势脱颖而出，通过氧空位的定向构建，既能诱导局域表面等离子体共振效应、窄化材料带隙，大幅提升宽光谱太阳能捕获能力与光热转换效率，适配太阳能驱动界面蒸发的制水需求；又能丰富表面活性位点、优化电荷分布，强化与重金属离子的静电作用和配位结合，实现高效的重金属吸附去除。同时，缺陷态氧化钨与生物质基材兼具良好的界面相容性与复合适配性，为整合生物质材料的多孔结构、低成本优势与氧化钨的光热-吸附双功能，构建绿色可持续的复合功能材料提供了绝佳契机。

成果介绍

四川农业大学赵洋副教授团队通过溶剂热-氢还原策略制备缺陷型氧化钨为核心光热吸附功能单元，结合废纸基纤维素、壳聚糖等生物质材料构筑了复合气凝胶蒸发器。实验表征和理论计算结果表明，氧空位的引入能诱导局域表面等离子体共振效应、窄化材料带隙，同时优化表面电荷分布，让缺陷态氧化钨兼具高效宽光谱光热转换的电子特性与强重金属离子结合的界面活性。该成果以“Tailoring Defective Tungsten Oxide Aerogel Evaporator for Enhanced Solar Steam Generation and Heavy Metal Adsorption Toward Agricultural Irrigation”为题发表在高水平期刊 Carbon Neutralization 上。

本文亮点

1、氧空位通过诱导局域表面等离子体共振、窄化带隙拓宽太阳能光谱吸收范围，同时优化表面电荷分布、丰富活性位点，强化与Pb2+的静电作用和配位结合。

2、纤维素/壳聚糖三维互穿网络为界面蒸发提供定向毛细输水通道和结构稳定性，同时为缺陷型氧化钨均匀负载提供结构支撑。

3、实现无机缺陷功能相、生物质结构相、吸附辅助相的高效界面融合，突破了传统光热材料单一功能、生物质材料光热效率低的瓶颈。

4、明确了太阳能驱动下光热转换提升吸附热力学、加速重金属离子扩散的耦合作用机理，实现了海水淡化与重金属去除的同步高效进行。

本文要点

要点一

复合气凝胶构筑、结构表征与缺陷引入验证研究

图1：缺陷型氧化钨及其复合气凝胶制备与农业灌溉应用示意图。

图1展示了复合气凝胶制备流程图，以废纸提纤维素、溶剂热-氢还原工艺退火制得高稳定性缺陷型氧化钨，再经交联、冷冻干燥制得复合气凝胶，依托缺陷型氧化钨的光热-吸附双功能实现污水净化，净化水直接用于农业灌溉，构建可持续水资源循环体系。

图2：复合气凝胶及各组分微观形貌表征。(a) WCA、(b) WCTOA、(c) r-WCTOA 的扫描电镜（SEM）图像；(d) 氧化钨（WO3-x）、(e) 还原型氧化钨（r-WO3-x）、(f) 氧化态氧化钨（o-WO3-x）的扫描电镜（SEM）图像；(g) r-WCTOA 的能量色散 X 射线光谱（EDS）元素分布图谱；(h-j) 还原型氧化钨（r-WO3-x）与氧化态氧化钨（o-WO3-x）的透射电镜（TEM）图像。

图2通过 SEM/TEM/EDS Mapping 表征，证实 r-WO3-x与废纸基纤维素/壳聚糖的高效界面融合，r-WO3-x形貌优化且均匀分散，晶格条纹特征直接验证氧空位的物理存在。

图3：多种复合材料的结构表征。(a) r-WO3-x、o-WO3-x及WO3-x的XRD图谱；(b)r-WCTOA、WCTOA及WCAXRD图谱；(c) r-WCTOA、WCTOA及WCA的XPS全谱；(d) r-WO3-x与 WO3-x的高分辨W 4f图谱；(e) r-WO3-x与 WO3-x的高分辨O 1s图谱；(f) r-WO3-x、o-WO3-x及 WO3-x的EPR图谱。

图3通过XRD、XPS、EPR等结构表征，系统验证r-WO3-x中氧空位的成功构建、高浓度及稳定性，明确氧空位诱导的晶格畸变、元素价态变化与未配对电子特征，为氧空位调控材料性能提供结构依据。

要点二

太阳能界面蒸发性能研究

图4：不同蒸发器的光热转换性能与湿润性表征。(a) 200~2000 nm波长范围内的吸收光谱；(b) 1个太阳光照下r-WCTOA、WCTOA、WCA在空气中的表面温度变化曲线；(c) 1个太阳光照下 r-WCTOA、WCTOA、WCA在水中的表面温度变化曲线；(d) 1个太阳光照15 min后，WCA、WCTOA、WCA在水中的红外热成像图；(e) r-WCTOA在反复光暗循环过程中的温度-时间变化曲线；(f) WO3-x和r-WO3-x的表面润湿性测试结果；(g) r-WCTOA的表面液滴扩散情况。

图4显示，r-WCTOA依托氧空位诱导的LSPR效应实现92.89%的宽光谱光吸收，光热转换效率、循环稳定性优异，同时纤维素/壳聚糖的亲水官能团赋予材料超亲水性，实现快速水渗透，为高效太阳能界面蒸发奠定光热与传质双重基础。

图5：复合气凝胶蒸发性能(a) 蒸发装置示意图；(b) 暗态条件下的质量变化曲线；(c) 1个太阳光照下质量变化随蒸发时间的变化曲线；(d) 1个太阳光照下WCA、WCTOA及 r-WCTOA的蒸发速率与蒸发效率；(e) 不同太阳光照强度下质量变化随时间的变化曲线；(f) 不同太阳光照强度下 r-WCTOA 的蒸发速率与蒸发效率；(g) 10次循环（每次1小时）的蒸发速率变化；(h) 1个太阳光照下本研究复合气凝胶与其他重金属吸附型蒸发器的性能对比（3.5 wt.% 盐度水体系）；(i) 户外实验装置实拍图及自然光照下的日均产水量与环境温度变化。

图5展现出r-WCTOA在1个太阳光照下平均蒸发速率达1.812 kg m-2 h-1，循环、盐耐受性优异，户外7天实际测试日均产水量满足WHO饮用水标准，证实材料在实际制水场景的应用潜力。

要点三

Pb2+吸附性能测试及光热-吸附协同性能测试

图6：吸附性能测试(a) pH 值对 Pb2+吸附容量的影响。(b) Langmuir模型与 Freundlich模型拟合 r-WCTOA、WCTOA及WCA 对 Pb2+的吸附等温线。(c) 采用准一级动力学模型与准二级动力学模型分析r-WCTOA对Pb2+的吸附动力学。(d) r-WCTOA与WCTOA对Pb2+吸附的热力学拟合曲线。（e）采用吸附-太阳能驱动蒸发协同过程。（f）循环稳定性测试。

图6系统研究了 r-WCTOA 对Pb2+的吸附行为，并结合动力学、热力学模型揭示吸附机制，进一步验证光热驱动下的协同强化效应，除此以外，热力学拟合结果显示吸附过程可自发进行，且升温有利于吸附，为光热升温强化吸附提供了理论支撑。光-暗吸附和循环测试均表示出，r-WCTOA光热-吸附协同进程具有优异的光响应性和稳定性。

要点四

氧空位调控电子结构及强化Pb2+吸附机制

图7：氧空位调控下氧化钨的电子结构与Pb2+吸附能分析 (a) 三氧化钨的自旋向下能带结构计算结果(b) 缺氧氧化钨的自旋向下能带结构计算结果(c) O的分波态密度谱(d) W的分波态密度谱(e) 三氧化钨的总态密度谱(f) 缺陷型氧化钨的总态密度谱 (g,h)基于DFT计算 Pb2+在 WO₃与 WO3-x(010) 晶面上的吸附行为。

图7展示了对材料能带结构、态密度的计算结果，发现氧空位的引入使带隙显著窄化，提升了电子浓度和光响应能力。态密度计算结果表明，氧空位引入增强了轨道杂化与电子离域性，通过自旋极化抑制光生载流子的辐射复合。除此以外，吸附能计算表明，Pb2+在WO3-x表面的吸附能更低、结合键长更短，吸附更稳定。

本文小结

本研究以淡水短缺与重金属水污染的双重问题为切入点，将缺陷工程与生物质资源化利用相结合，设计了一种缺陷型氧化钨/纤维素复合气凝胶，实现了太阳能驱动界面蒸发与重金属高效吸附的协同功能。材料在光照下实现光热-吸附协同强化，同步完成海水脱盐与Pb2+吸附，净化水质可直接用于农业灌溉。整体阐明了氧空位介导电子结构调控、光热性能提升、重金属吸附强化以及协同净水的内在机理，具体而言，氧空位在氧化钨禁带中引入缺陷能级，显著窄化带隙并增强自旋极化，提升宽光谱吸收与非辐射弛豫能力同时，形成局部电荷富集区，降低Pb2+吸附能垒、增强界面化学键合。

期刊介绍

发展历程

2022年7月17日

期刊首刊发布仪式

2023年3月10日

期刊编委会在中国国际钠离子电池前沿技术与产业发展论坛期间举办

2023年3月11日

高级编委聘任仪式在中国国际钠离子电池前沿技术与产业发展论坛上举行

2023年5月

被国际知名学术期刊数据库DOAJ收录

2024年3月10日

助力第二届中国国际钠离子电池前沿技术与产业发展论坛

2024年4月16日

被ESCI数据库收录

2024年9月20日

助力2024纳米材料与器件创新发展大会

2024年11月16日

助力2024世界青年科学家峰会新能源技术论坛

2025年6月18日

获得首个影响因子=12

2025年7月18日

被EI数据库收录

2025年8月16日

被Scopus数据库收录

2025年8月21日

助力2025全省特种电池材料与技术重点实验室正式启动

2025年11月26日

2026年3月24日

入选新锐分区（原中科院分区）

Carbon Neutralization（《碳中和研究》期刊）是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自11个国家和地区的28名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2025年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、Scopus、EI、CAS、DOAJ数据库收录，入选为中国科技期刊卓越行动计划二期高起点新刊、新锐分区（原中科院分区），并于2025年获得首个影响因子12。

Carbon Neutralization（《碳中和研究》期刊）重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。