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界面太阳能蒸汽蒸发（ISSE）技术因其利用太阳能生产清洁水的巨大潜力而备受关注。尽管在光热材料和蒸发器设计方面已取得显著进展，但在将该技术从实验室研究转化为实际应用的过程中，仍存在一个关键瓶颈：先进材料开发与实际系统工程之间存在明显脱节。当前的研究工作仍主要聚焦于前端材料的“性能竞赛”，而高效可靠的后端系统设计却未能同步跟进。为弥合这一差距，本文采用后端工程视角，系统性地评估了ISSE技术的全链条发展，涵盖先进材料设计、结构工程以及针对不同应用环境量身定制的蒸发效率提升策略。我们进一步总结了适用于跨介质协同蒸发系统（CMSES）典型场景的统一后端解决方案框架。最终，本综述旨在阐明将理论进展转化为实际应用的科学依据充分且具有工程实用性的路径，从而推动ISSE技术从实验室研究向实际应用的转化。
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背景介绍
全球淡水短缺已成为21世纪最紧迫的挑战之一。据联合国统计，目前约有22亿人口面临严重缺水。气候变化与人口增长正加速这一危机，预计到2050年，全球超过50%的人口将经历水资源短缺。干旱地区、滨海盐碱土及受污染水体的水资源匮乏问题尤为迫切。传统水处理技术（如反渗透和多级闪蒸）虽能部分缓解水压力，但仍面临能耗高、成本高及二次污染风险等挑战，难以满足可持续发展要求。在此背景下，开发低碳、节能、环保的水资源再生技术，已成为应对“水质性缺水”与“水量性缺水”双重挑战的关键。
界面太阳能蒸汽蒸发（ISSE）技术利用地球丰富的太阳能，实现零碳排放、高效率及多场景广泛适用性，为水资源可持续发展提供了新策略。该技术通过纳米结构光热材料将太阳能局域转化为热能，在气-液界面驱动高效水蒸发，同时截留污染物，从而在海水淡化和废水净化等多种场景下生产清洁水。自2012年Neumann团队提出光热界面蒸发概念以来，ISSE技术发展迅速。利用CiteSpace对关键词“太阳能界面蒸发”生成聚类时间线图（图1）显示，自2015年起，该领域呈现显著的跨学科增长，从最初的淡化研究扩展到废水处理、土壤修复及大气水收集等新兴应用，尤其是2020年以来，展现出“水-气-土”协同治理的潜力。图2系统梳理了基于ISSE的多介质水提取技术发展历程中的关键里程碑。这些进展标志着在光热材料设计、蒸发机理探索及现场效率优化方面取得了显著成就，催生了高性能材料的不断涌现。然而，在这一蓬勃发展的研究格局中，技术成熟度与实际部署之间仍存在显著差距。当前ISSE研究主要侧重于前端光热材料与蒸发器结构的开发，而对后端工艺及收集单元的工程设计关注相对较少。这种不平衡制约了实验室规模演示向实际系统的转化，尤其是在考虑长期运行、成本及净产水量时。
基于此，本文从实际工程应用的角度，系统综述了ISSE技术从材料创新到系统集成的完整研究链条。通过批判性地分析不同应用场景下后端工程面临的关键挑战，我们建立了通用解决方案框架，并引入了一种跨介质协同蒸发策略。本综述为缩小太阳能驱动水生产技术实验室研究与实际应用之间的差距，提供了理论基础与技术路线图。
相关成果以“Application-Oriented Interfacial Solar Steam Evaporation: Back-End Engineering and System Design”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。（ IF=19）
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研究数据
图1. CiteSpace生成的“太阳能界面蒸发”关键词聚类时间线图。
图2. 基于ISSE的多介质水提取技术发展时间线。
图3. ISSE驱动的环境液态水收集机制示意图。
图4. 光热效应的不同机制及其对应的光吸收范围。
图5. (a) 多功能蜂窝陶瓷板的数码照片和扫描电子显微镜（SEM）图像。（b）CM-Ti2O3蒸发器和窄带隙Ti2O3中电子-空穴生成与弛豫的示意图。 (c) 四种具有不同尺寸的典型TiN纳米颗粒的SEM图像及其单颗粒暗场散射光谱。
图6. (a) 仿生三维蒸发器的设计，其灵感源自鸟喙非对称毛细管棘轮结构和捕蝇草口沿表面的超液态传输特性。(b) 三维折纸结构蒸发器的蒸发示意图。(c) 基于所有冷蒸发表面，3D HCE从太阳光、周围空气和水体中获取能量的示意图。
图7. (a) 具有异质结构的PVDF-SHPL太阳能驱动蒸发器的运行原理及热局域化示意图。(b) FJE 具有双面结构。FJE 高效蒸发与耐盐机制的示意图。(c) 新型低热损耗太阳能水蒸发装置的示意图。(d) 蘑菇状结构中的热行为示意图。(e) 配备IWS太阳能蒸发器的3D示意图。
图8. (a) 由纳米纤维水凝胶-还原氧化石墨烯膜构成的ISSG示意图。(b) 由聚乙烯醇和聚苯乙烯磺酸盐组成的互穿网络示意图。聚乙烯醇网络限制了水量，使热量局限于可蒸发水附近，而聚苯乙烯磺酸盐网络通过水-聚合物相互作用激活水分子。(c) 利用PCW-1进行界面太阳能蒸汽生成的机理示意图。利用木材和PC-1降低水当量蒸发焓的示意图。(d) 通过非晶态Ta2O5/C HoMS实现高效太阳能制蒸汽的示意图。水蒸发过程的分子动力学（MD）模拟。
图9. 纯水和 PLH@OTS 的差示扫描量热法（DSC）曲线。(b) JCB-海水、JCFeB-纯水和JCFeB-海水的多指数T2弛豫谱。(c) CoMo LDH/水、L-CoMo LDH/水、PVA/水和PVA-Na2SO4/水的拉曼光谱。(d) 三种模型中界面水分子氢键网络排列的瞬态图像。
图10. (a) 碳纳米纤维增强碳气凝胶的制备流程图，以及不同放大倍数下的CNFA扫描电子显微镜图像。(b) 通过HNT中的Al3+与海水中的Mg2+之间自发离子交换，在蒸发表面富集Mg2+的示意图，该过程可使海水蒸发速度快于纯水。(c) 戴森球概念及受戴森球启发的蒸发器。(d) 用于在波浪状油-卤水混合物中实现高效稳定太阳能淡化的JMSEs。
图11. (a) 基于Au@Ag-Pd/PS双面纳米-微米结构的界面太阳能蒸发器的示意图，其中光热转换、热局域化和供水过程实现了高效耦合。(b) C-ADM的自清洁过程依赖于昼夜循环。(c) 一种由具有强排斥力的多价阳离子交联藻酸盐与具有强光吸收能力和高导电性的聚吡咯组成的混合系统。(d) 聚电解质水凝胶聚丙烯酸钠 [P(SA)] 提供的双离子泵送和盐分排斥效应示意图。(e) 在所提出的非接触式太阳能蒸发结构中，吸收器不与水接触。 (f) 受睡莲启发的分层结构示意图。
图12. (a) 示意图展示了双模多孔巴沙木的微观结构及其工作原理，该材料可作为高效、稳定、可扩展、环保且低成本的蒸发器，用于高盐度卤水的脱盐处理。(b) 示意图展示（左）自再生太阳能蒸发器设计，以及（右）蒸发器内的多向传质过程。(c) SIFS蒸发器的示意图及其表面特性分析。(d) 用于提升全天候高盐度脱盐效率的水膜效应及拱形双面蒸发示意图。
图13. (a) 用于连续太阳能蒸汽生成和盐回收的新型设计示意图，以及太阳能蒸汽发生器在不同运行时段内连续运行的数码照片。(b) 蒸发器的示意图，以及在84小时盐水太阳能蒸发过程中盐沉积位置的照片。(c) 仿生三维蒸发器设计灵感的示意图（超流体传输特性源自鸟喙的不对称毛细管棘轮结构及牛蒡的唇面）以及顶部盐结晶过程。(d) 基于三元分层结构的太阳能驱动蒸发器（THSE）示意图，以及在1-2.5 kW/m2不同太阳辐射强度下的有效蒸发高度（L）。
图14. (a) 水资源压力（来源：世界资源研究所（WRI），Aqueduct国家排名工具）。 (b) 全球年平均相对湿度的地理分布（数据来源：CRU 0.5度数据集（New等人））。(c) ISSE驱动的大气集水机制示意图。
图15. (a) 实验测试台的示意图。(b) 不同吸附剂的吸附性能。(c) Zr6O4(OH)4(-COO)12二级构建单元通过富马酸盐相互连接，形成 MOF-801。(d) MOF-303 的晶体结构。(e) MIL-101(Cr)的晶体结构。(f) SMAG水凝胶。(g) LiCl@MIL-101(Cr)的晶体结构。(h) LiCl/PMS/CNTs 超吸水海绵。 (i) SAWE 系统架构及淡水制备性能。
图16. (a) SAWH装置的示意图。SMPH气凝胶集水过程以及现场测试中的吸水、释水和集水过程。(b) 该装置的实际生产工作示意图。LiCl@CCP-PPy的吸湿机理及其吸湿性能。(c) 室外设备示意图。基于ZrC的DES纳米流体吸湿-蒸发过程，以及不同相对湿度下ZrC纳米流体与ChCl/尿素的吸湿性。
图17. (a) 双级大气水收集装置的示意图。水收集性能及实际安装图。(b) 带热回收循环的太阳能驱动SAWH原型机的运行原理，用于高效且快速循环地从空气中收集水分。室内实验中，相对湿度低于60%时的单循环水收集能力和累计收集水量。(c) 模块化太阳能驱动空气制水原型机的设计。吸附过程中的质量变化。(d) 太阳能驱动空气制水装置的示意图。该装置在现场测试期间产水量。
图18. (a) 吸附器结构示意图及集水装置示意图。ACF-LiCl 通过 ASAP 测得的吸附等温线。(b) 用于实时输出收集水的装置示意图，其中包括一台红外热成像仪。上午9:30至下午16:00脱附过程中的实时水质量输出。(c) 集水器的结构示意图。装置的集水性能。(d) 本文所述集水器装置的示意图。在受控环境下进行的24小时压力测试。
图19. (a) 自然日光下土壤集水系统的设计。白银腾格里沙漠集水装置的集水速率及照片。(b) 采用太阳能驱动的界面水蒸发系统进行土壤水分提取。“单太阳”辐照强度下的土壤水分蒸发效率及大型C800-ZIF8 WS装置的照片。(c) 配备PMMA冷凝器、TCP-Li及植物的TEAD结构示意图。室外测试期间的累计单位面积产水量与产水速率，以及演示过程中TEAD原型的照片。(d) 嵌入沙质水体中的人工植物示意图。2D薄膜与3D HPG的质量变化直方图，显示出显著增加的水分蒸发量。(e) 土壤取水概念示意图。用于土壤取水的实验室实验装置组装示意图，以及不同加热功率下不同沙样约12小时后的总取水量。
图20. (a) 基于CCD@wooden的便携式蒸发器的示意图及其蒸发性能。(b) 受帐篷启发的便携式太阳能驱动净水装置在野外探险中的实际应用及其便携性。(c) 用于高效水循环的可折叠便携式太阳能驱动电渗析系统，以及生产不同1 kg系统所产生的环境成本比较。
图21. (a) 全球重金属污染的总体分布。(b) 全球盐渍化土壤分布图：底土层（30-100 厘米）（来源：粮农组织。2021。《全球盐渍化土壤图（GSASmap）v1.0》。载于：粮农组织。罗马。）(c) ISSE驱动的土壤水收集机制示意图。
图22. (a) 模拟盐渍化土壤修复系统的实验装置及仿生盐分收集机制。(b) 太阳能驱动修复系统的示意图。四种主要碱金属离子的去除率，以及处理前后盐渍化土壤中西兰花发芽率的差异。(c) 基于非接触式纸基柱状太阳能脱盐阵列的零废水排放、无淡水消耗盐碱地土壤修复策略示意图。
图23. (a) BML蒸发器的原理示意图。水和重金属离子的迁移与扩散机制。重金属去除性能。(b) 展示实际树木启发式太阳能驱动修复系统的示意图。SDER处理前后土壤孔隙水中重金属含量。
图24. (a) 太阳能界面蒸发装置的示意图、光催化降解机理图，以及PCC-IS/M@TiO2对MB和RhB的降解效率数据图。(b) 催化蒸发器的示意图。处理前后溶液的照片，以及不同催化蒸发器处理模拟有机废水效率的数据图。(c) Fe-BTEC/GPE复合蒸发器用于水蒸发及有机污染物光芬顿降解的示意图。不同体系中TC的降解速率及降解速率常数。Fe-BTEC上过氧化氢解离过程的示意图（DFT计算）。(d) 说明MCW蒸发器结构赋能多功能设计机理的示意图。M20CW3-d蒸发器在1太阳照度下MO的催化降解速率及对应速率常数。蒸发与降解性能的比较。
图25. (a) 示意图展示了基于生物质的CCAP-CCA双面结构用于重金属富集和生产洁净饮用水的先进工艺。(b) GDY的C-18环示意图，以及通过GDY-HoMS实现的高效太阳能蒸汽生成过程。(c) 基于高粱秸秆聚吡咯表面改性的蒸发器制备工艺去除纳米塑料的示意图。超纯水、受纳米塑料污染的水及其净化水的zeta电位。净化前后受纳米塑料污染的水样透射电子显微镜（TEM）图像。(d) 1倍太阳光照下ISEP去除微塑料的机理。不同微塑料浓度。过滤原海水及经ISEP处理的海水后滤膜的显微图像。(e) 太阳能蒸发与微塑料去除的多级结构设计示意图。蒸发前后收集的聚乙烯（PE）的光学图像。(f) RGO/TiO2反应器实现微塑料光催化升级利用及光热蒸发驱动产物分离的示意图。原位傅里叶变换红外（FTIR）成像用于确认微塑料样品的成分。微塑料转化与产物收集装置的示意图及光学图像。碳酸钡固体产物的制备。插图为收集到的碳酸钡产物（纯度>99%）。
图26. (a) 离网及应急ISSE系统后端解决方案框架图。 (b) 盐碱地修复框架中ISSE系统的后端解决方案框架图。 (c) 特殊废水蒸发-催化协同净化后端解决方案框架图。
图27. 便携式个人净水器（a）和撬装式跨介质太阳能蒸发系统（b）的示意图。
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https://doi.org/10.1002/adfm.75423
团队简介
近几年，云南大学万艳芬教授团队一直致力于界面太阳能净水与清洁能源联产领域的研究。为突破传统海水淡化效率瓶颈，本团队系统梳理了界面太阳能蒸发系统中质量与能量传递全链条研究，并构建了多尺度传热传质模型。此外，本团队还采用多维结构设计——包括具备卓越热管理性能的3D杯状结构、实现热能回收的空间图案化结构，以及仿生多级蒸发系统——从而实现高效水分蒸发、潜热回收与同步发电。以下是本团队近年来在该领域的取得的系列成果：
l 光热海水淡化中的能质量传递综述：https://doi.org/10.1002/adma.202510796
l 光-空间-热一体化三维太阳能蒸发器：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156826
l 降低蒸发焓综述：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109434
l 空间图案化结构回收热量损失：https://doi.org/10.1021/acsami.3c19577
l 多级蒸发联产电力系统： https://doi.org/10.1002/smll.202302943
https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143047
l 太阳能蒸汽发电耦合可穿戴传感：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105700
l 太阳能海水淡化协同热电发电：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.05.023
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104298
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