2026年，《Environmental Science & Technology》期刊在线发表了题为“Rational Design and Salt Resistance Study of 3D Conical Solar Evaporators via Gravity-Enhanced Water Supply”的研究性论文。得益于光热圆锥体利用重力实现的水分传输效率提升，在使用10 wt%人工浓缩海水连续运行100小时的测试中，蒸发速率始终维持在2.06 kg·m⁻²·h⁻¹且未观察到盐析现象。在户外实验中，该蒸发器被集成至应用阵列中，使用总光热投影面积为0.037 m²（采用10 wt%人工浓缩海水）时，可实现每日7.92 L·m⁻²的淡水产出量。《Environmental Science & Technology》期刊2025年影响因子为18.9，《Environmental Science & Technology》刊载各类与环境相关多元主题下具有影响力、开创性的世界级研究成果。
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制定稳健的策略以防止在处理高盐度和复杂卤水过程中发生盐析现象，对于实现稳定的太阳能脱盐工艺至关重要。基于理想的能源管理理念，我们在三维圆锥形蒸发器上合理设计了一种重力增强型水传输策略，巧妙地实现了在各种复杂卤水条件下供水与蒸发之间的动态平衡，从而提升抗盐性能。通过实验测试和多物理场模拟对盐析行为关键因素进行系统研究，我们发现经过优化成分、尺寸和形态的圆锥形蒸发器不仅能在高浓度氯化钠溶液（25 wt%氯化钠）中稳定运行，也能在含复杂离子组成的卤水（10 wt%人工浓缩海水）中稳定工作。得益于光热圆锥体利用重力实现的水分传输效率提升，在使用10 wt%人工浓缩海水连续运行100小时的测试中，蒸发速率始终维持在2.06 kg·m⁻²·h⁻¹且未观察到盐析现象。在户外实验中，该蒸发器被集成至应用阵列中，使用总光热投影面积为0.037 m²（采用10 wt%人工浓缩海水）时，可实现每日7.92 L·m⁻²的淡水产出量。重力增强水传输已被证明是太阳能驱动脱盐过程中实现高盐度水制备时抗盐性的有效策略，该方法可广泛应用于各类三维蒸发器设计。
淡水短缺是全球性严峻难题，威胁人类健康、民生与可持续发展。太阳能驱动海水淡化作为无生态破坏、低资源消耗的非常规产水技术，被视作缓解水资源匮乏的可持续方案，具备广阔应用前景。现有研究围绕提升太阳光吸收、降低热损耗、利用环境余热、降低汽化焓四条路径优化光热材料、蒸发结构与蒸发流程，通过多维度综合优化后，光热蒸发能效已接近理论上限，单纯提升蒸发速率的研究空间有限。光热材料表面盐晶堆积是制约太阳能淡化实用化的核心痛点：盐晶会遮蔽光吸收界面、阻碍水蒸气扩散，最终导致装置失效；该问题在处理高浓度卤水、复杂离子浓海水时会急剧恶化，是当前领域最迫切需要突破的技术障碍。目前学界已开发四类主流抗盐方案，但均存在短板，难以适配高盐、多离子复杂卤水长期稳定运行：依靠毛细、马兰戈尼效应加速离子回流，高盐环境下离子扩散速率难以匹配蒸发速率；依靠几何结构将盐晶限定在边缘，但对蒸发水量、盐浓度适配性差，盐析仍会削弱光能利用，还存在冷凝水污染风险；依靠盐沉积带来的受力失衡实现自清洁，结构调控难度大，复杂卤水工况稳定性不足。现有方案均难以精准维持供水-蒸发动态平衡，无法同时实现高蒸发速率与长期稳定抗盐，亟需全新流体输运设计思路适配高盐复杂卤水工况。团队前期已仿生制备三维锥形光热蒸发器，通过结构优化降低光反射与热损失，实现高效光热蒸发；但传统自下而上毛细输水模式存在固有缺陷：输水动力仅靠毛细力、需对抗重力，供水量跟不上快速蒸发速率，界面提前盐析结垢，严重削弱光吸收性能，限制实际应用。针对传统锥形蒸发器输水不足、高盐工况易盐析的短板，本文提出重力辅助自上而下输水新思路，利用重力协同毛细力调控卤水定向输运，构建供水与蒸发的动态平衡，系统性解决高盐、多离子复杂卤水条件下的盐沉积问题，开发兼具高蒸发速率、长效抗盐、可规模化应用的三维锥形太阳能蒸发器。
创新输水机制：重力协同毛细自上而下输水，从根源解决盐析难题突破传统自下而上毛细输水固有缺陷（输水需对抗重力、供水跟不上蒸发速率、表面快速积盐失效），提出重力强化自上而下输水策略，重力与毛细力协同提升卤水输运效率；锥形坡面重力分力可精准调控卤水流量，高盐浓水可从锥尖快速排出，稳定维持供水 - 蒸发动态平衡，大幅抑制蒸发界面盐离子过饱和析出；对比实验证实传统输水体系 15 wt% NaCl 2h 蒸发速率衰减超 83%，重力强化体系可在宽盐浓度区间保持稳定蒸发性能。
结构优化：三维锥形多光阱结构，实现超高太阳光捕获系统探究锥顶角对光吸收、水汽扩散的权衡关系，Cone-42最优结构利用腔内多重反射减少光逃逸，干湿态太阳光吸收率分别达 96.54%、96.71%；有限元光线追踪仿真与光谱测试相互印证小锥角空腔光捕获优势，同时揭示锥角过窄会造成腔内水汽积聚、扩散阻力上升的 trade-off 规律；三维锥形兼具大有效蒸发面积与低热辐射损耗，1 倍太阳光下蒸发速率最高可达3.90 kg・m⁻²・h⁻¹，远高于平面光热膜（1.22 kg・m⁻²・h⁻¹）。
图1. PVDF -PPy光热锥的制备与表征。(a) PVDF -PPy光热锥的制备工艺。(b)光热锥结构及尺寸示意图。(c) 5 μL水滴在孔径为5μm的商用PVDF膜上的随时间变化接触角图像；(d)通过CVDP工艺涂覆PPy的PVDF膜的接触角图像。(e)表面光滑的商用PVDF膜SEM图像；(f)涂覆PPy的PVDF膜SEM图像。插图为放大视图。
图2.光热锥的光学特性与蒸发性能。(a)不同顶角下光热锥的显微照片。(b) PVDF、PVDF −PPy平面及光热锥在280–2500 nm波长范围内的UV-Vis- NIR漫反射光谱。(c)各样品对应的吸收光谱及其与标准AM 1.5 G太阳辐照度密度光谱的对比。(d)不同顶角光热锥的光吸收有限元分析结果。(e)实验流程及蒸发装置示意图。(f)黑暗与光照条件下光热样品水蒸发速率随时间变化曲线，绿色曲线为纯水作为实验参照的蒸发性能。(g)不同顶角下的水蒸气浓度分布图，箭头指示扩散方向。
图3.光热蒸发器的水分传输与耐盐性。(a)不同水分传输策略的示意图。(b，c)采用不同供水策略的蒸发装置的实际图像。分别展示使用传统(d)和重力增强(e)水分传输策略时不同浓度氯化钠溶液的蒸发速率。(f)使用两种蒸发装置对不同浓度氯化钠溶液蒸发2小时后的盐析图像。(g)不同浓度氯化钠溶液在15分钟光热蒸发过程中锥体表面温度的红外热成像图。(h)蒸发900秒后模拟的表面质量分数分布。(i)在3.5 wt%氯化钠溶液中经15分钟光热蒸发后，不同几何形状锥体的红外热成像图及盐沉积照片。(j)不同几何结构锥体中3.5 wt%氯化钠溶液的蒸发速率。(k)不同几何结构锥体蒸发900秒后的模拟表面质量分数分布。
图4.优化后的材料表征结果：(a)AP薄膜上5 μL水滴随时间变化的接触角图像；(b)经CVDP工艺涂覆PPy层的AP薄膜接触角图像；(c)AP薄膜SEM图像；(d)AP-PPy复合膜SEM图像；(e)平面AP-PPy及AP-PPy光热锥体在280–2500nm波长范围内的UV–vis– NIR漫反射光谱；(f)样品对应吸收光谱与标准AM 1.5 G太阳辐照度密度光谱的对比；(g) PVDF与AP材料吸水速率的比较；(h)不同水传输策略及材料下光热锥体结构中水传输速率的对比。
图5.优化的材料盐析管理。(a)在24 wt%氯化钠溶液中小型锥体的蒸发速率及盐析图像；(b)使用不同尺寸AP-PPy锥体在25 wt%氯化钠溶液中240分钟内的蒸发速率；(c)相同溶液的盐析图像；(d)两种尺寸锥体中的蒸汽浓度分布；(e)锥体中心线处的蒸汽浓度随高度变化；(f)两种尺寸AP-PPy锥体在25 wt%氯化钠溶液中蒸发900秒后盐质量分数分布的模拟结果；(g)不同光热锥体下实际海水的蒸发速率；(h)使用大型AP-PPy处理近饱和浓度多种盐溶液时的蒸发速率；(i) AP-PPy对10 wt%人工浓缩海水的长期蒸发速率。
图6.户外应用示意图。(a)在实际阳光条件下用于太阳能驱动海水淡化处理的装置。(b)蒸发与收集装置的结构示意图。(c)第一天户外实验环境中的温度（21至28°C）、湿度（26%至55%）及太阳辐射强度数据（来源：The Weather Company）。(d)户外实验首日收集水量的实测结果。(e)为期7天的户外实验中收集的淡化水量与对应天气条件。(f)含10%重量比人工浓缩海水及淡化后冷凝水中的主要离子浓度分布。
基于三维锥形蒸发器开发的重力驱动供水策略，为实现可持续海水淡化提供了一条切实可行的路径。定量分析表明，优化后的器件在处理25 wt% NaCl盐水时，蒸发速率可达3.32 kg m⁻² h⁻¹。这些结果证明了其即使针对高盐度水源也能实现高效供水的能力，且性能优于许多已报道的蒸发器。更重要的是，重力增强设计有效解决了盐积累这一难题。该器件在复杂离子环境下经过100小时连续运行，仍能保持超过90.8%的性能稳定性，证明了其无需复杂维护的耐久性。这种稳定性对于长期海水淡化操作至关重要，尤其是在处理高浓度盐水（10 wt%）时——传统蒸发器在此类条件下常因盐堵而失效。最后，该系统的可扩展性通过户外阵列实验得到了验证，每日淡水产量可达2.75–7.92 kg m⁻²。除了高产率之外，该系统还展现出显著的经济可行性：制造1 m²锥形阵列的材料成本仅为约2.56美元。在可持续性方面，预估的泵送能耗（约447.9 Wh m⁻² day⁻¹）极低，使得光伏供电方案高度可行。这种中试规模的性能表现，结合超低的生产与运行成本，证明了该方案作为缓解全球水资源短缺的一种可靠且可及的选择所具有的潜力。
Wei, Z.Q., Xu, Y.Y., Han, P., et al. Rational design and salt resistance study of 3D conical solar evaporators via gravity-enhanced water supply. Environmental Science & Technology, 2026, https://doi.org/10.1021/acs.est.6c02513.
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资料整理：徐泽恩（阳光净水）
编辑：环境与能源功能材料
徐泽恩（阳光净水课题组）
【资料整理】徐泽恩：资源与环境硕士研究生，研究方向为海水/废水蒸发处理，发表中科院TOPSCI期刊论文3篇，参与浙江省自然科学基金项目2项，获一等学业奖学金1次。
阳光净水课题组：主要研究方向为壳聚糖功能材料、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。课题组主页：
https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue
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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56次（Web of Science），国际引用占比73%，2025年5月起入选ESI高被引论文。
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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31 次（ Web of Science ）。
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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69 次（ Web of Science ），国际引用占比65.0%。
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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 51 次（ Web of Science ）。
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