2026年7月，《Chemical Engineering Journal》期刊在线发表了长安大学题为“Gradient polypyrrole-coated CS/PVA/β-CD/Fe₃O₄ NPs magnetic aerogels for efficient solar interfacial evaporation”的研究性论文。该研究针对传统界面太阳能蒸发器在弱光/无光条件下效率低、光热层与水传输层功能难以协同等瓶颈，设计制备了具有梯度聚吡咯（PPy）包覆结构的磁性复合气凝胶（CPC-PPy/Fe₃O₄）。其核心创新在于：以壳聚糖（CS）、聚乙烯醇（PVA）和β-环糊精（β-CD）构筑亲水性三维骨架，通过扩散控制原位聚合法实现PPy由外至内的梯度氧化改性，形成“表面致密光热层—内部多孔输水层”的非对称结构；同时引入Fe₃O₄纳米颗粒，不仅与PPy协同增强宽谱光吸收（>92%），还可在外加磁场下通过磁热效应（弛豫损耗产热）提供辅助热源，使蒸发器在光照不足或夜间仍能维持蒸发。研究表明，在1.0太阳光强下，最优样品（氧化60 min）蒸发速率达4.20 kg·m⁻²·h⁻¹，能量效率高达116.13%；在交变磁场下，磁热蒸发速率可达1.62 kg·m⁻²·h⁻¹。该气凝胶还表现出优异的耐盐性（20 wt% NaCl中稳定运行）、自清洁能力、对重金属离子及有机染料的去除率（>99%），以及可磁性回收的实用优势。《Chemical Engineering Journal》是Elsevier旗下国际著名学术期刊，该期刊2025-2026最新影响因子为15.1，属于中科院工程技术1区Top期刊，主要刊登化学工程、环境工程及材料工程等领域的前沿研究成果。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.178957
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界面太阳能蒸汽蒸发是缓解全球淡水短缺问题的一种绿色途径。本研究开发了一种高性能复合气凝胶CPC-PPy/Fe₃O₄，其以壳聚糖（CS）、聚乙烯醇（PVA）和β-环糊精（β-CD）为生物质基体，并添加了Fe₃O₄纳米颗粒（NPs）和梯度聚吡咯（PPy）涂层进行增强。组分创新表明，Fe₃O₄ NPs与PPy协同作用，通过协同光热效应增强宽谱光吸收和表面加热。此外，Fe₃O₄ NPs的磁响应特性不仅使其易于通过磁性回收，还允许在外加磁场下通过磁热加热辅助蒸发。因此，该蒸发器即使在太阳照射有限或无照射的条件下也能维持有效的海水淡化，从而实现了光热-磁热混合蒸发器在全天候水淡化中的应用。在结构上，通过浸渍氧化法制备了“表面到内部”的梯度PPy层，形成了非对称设计，在表面最大化光捕获和隔热的同时，确保底部的高效水传输。在1.0倍太阳光照射下，优化后的CPC-PPy/Fe₃O₄蒸发速率达到4.20 kg·m⁻²·h⁻¹，能量效率为116.13%。该气凝胶还表现出1.62 kg·m⁻²·h⁻¹的磁热蒸发速率，并在高盐废水中展现出优异的循环稳定性和自清洁潜力，为高效、抗污、全天候的海水淡化系统提供了一种新策略。
全球淡水资源短缺危机因工业化和人口快速增长而持续加剧，界面太阳能蒸汽蒸发（ISSG）作为一种将太阳能局域于蒸发表面、显著降低热损失的高效绿色脱盐技术，近年来受到广泛关注。在材料体系方面，壳聚糖（CS）和聚乙烯醇（PVA）因优异的亲水性和低成本被广泛用作气凝胶骨架，而β-环糊精（β-CD）的引入则可凭借其“外亲水、内疏水”的空腔结构和丰富羟基进一步改善亲水性与孔结构，促进水分子传输；在光热材料选择上，聚吡咯（PPy）因具有覆盖紫外至近红外的宽谱吸收能力而成为理想候选，但传统均匀填充方式常导致热向下传导加剧和内部传质通道堵塞，限制了热局域管理和持续供水性能。为此，构建具有空间功能分区的梯度/非对称结构成为提升蒸发器效率的新方向，通过在表面富集光热组分实现高效光捕获，同时在内部保持低光热组分浓度以维持通道畅通和抑制热扩散，从而实现光吸收、热传导与水传输的协同优化。在此基础上，引入Fe₃O₄纳米颗粒（NPs）不仅可与PPy产生协同光热效应进一步增强光吸收，其本征磁性还赋予材料便捷的回收能力；更为重要的是，Fe₃O₄ NPs在交变磁场下可通过弛豫损耗实现磁-热转换，使蒸发器在阴天、弱光甚至夜间仍能获得热能供给，为全天候连续海水淡化提供了全新路径。基于上述研究背景，本研究设计并制备了以CS/PVA/β-CD为亲水骨架、通过扩散控制原位聚合构建“外密内疏”梯度PPy光热层、并复合Fe₃O₄ NPs的磁性复合气凝胶（CPC-PPy/Fe₃O₄），旨在同步实现高效光热转换、快速水传输、耐盐抗污、磁性回收及全天候运行等多重目标，为下一代可持续海水淡化和废水处理技术提供新策略。
图1. a) CPC-PPy/FeJx气凝胶的制备工艺流程图；b) CPC-PPy/FeJx应用示意图；c) PPy光热转换机制示意图；d) 四氧化三铁纳米颗粒光热转换机制示意图；e) 四氧化三铁纳米颗粒磁热转换机制示意图。
图 2.a) CPC-PPy/FeJx气凝胶的截面照片；b) CPC-PPy/FeJ60气凝胶的超景深图像。
图3. a) CS/PVA气凝胶、b) CPC气凝胶、c) CPC-PPy/FeJ60气凝胶内层、d) CPC-PPy/FeJ60气凝胶外层、e) CPC-PPy/FeJ60气凝胶内外层交界处截面、f) 用于EDS测试的CPC-PPy/FeJ60气凝胶；g) Fe元素的EDS扫描图像、h) N元素的EDS扫描图像；i) CPC-PPy/FeJ60材料顶层、界面层及底层N1s峰的 XPS 谱图。
图4.a）CPC-PPy/FeJ60气凝胶与CPC-PPy气凝胶的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）；b）CPC-PPy/FeJ60气凝胶与CPC-PPy气凝胶的 XRD ；c）CPC、CPC-PPy及CPC-PPy/FeJ60气凝胶的 TGA ；d）CPC-PPy/FeJ60气凝胶在海水润湿状态下的拉曼光谱；e）不同状态下CPC-PPy/FeJx气凝胶的差示扫描量热（DSC）曲线；f）不同状态下CPC-PPy/FeJx气凝胶的蒸发焓；g）CPC-PPy/FeJ60气凝胶的热导率；h）CPC-PPy/FeJ60气凝胶的接触角；i）CPC-PPy/FeJ60气凝胶的水传输实验。
图5. a、b）气凝胶的紫外-可见光谱（UV–Vis）NIR 光谱。c）干燥状态与d）湿润状态下气凝胶在1.0光照下的温度曲线；e）CPC-PPy/FeJx气凝胶在1.0光照下的温度曲线；f）CPC-PPy/FeJx气凝胶在1.0光照下的红外热成像图像；g）蒸发过程中热量损失示意图；h）CPC-PPy/FeJ60气凝胶及双层结构CPC-PPy/Fe气凝胶的 COMSOL 模拟结果。
图6. a) 蒸发实验装置示意图；b) 不同组分气凝胶的蒸发速率；c) 在1.0光照条件下，不同梯度的CPCPPy/FeJx气凝胶的蒸发速率；d) 在1.0光照下，不同梯度的CPC-PPy/FeJx气凝胶在1小时内质量变化；e) 不同溶液中CPC-PPy/FeJ60气凝胶在1.0光照下1小时内的质量变化；f) 不同太阳光强度下CPC-PPy/FeJ60气凝胶在1小时内的质量变化；g) 不同pH溶液中CPC-PPy/FeJ60气凝胶在1.0光照下的蒸发速率；h) 不同pH溶液中CPC-PPy/FeJ60气凝胶在1.0光照下运行5小时的蒸发速率；i) CPC-PPy/FeJ60气凝胶在1.0光照下为期7天的长期蒸发试验中的蒸发效率。
图7.a) CPC-PPy/FeJ60气凝胶及其蒸发后的 XPS 光谱；b) CPC-PPy/FeJ60气凝胶及其蒸发后的Fe 2p峰；c) CPC-PPy/FeJ60气凝胶在含20 wt%氯化钠溶液中于1.0光照条件下8小时的蒸发速率；d) CPC-PPy/FeJ60在70分钟内脱盐过程的照片；e) CPC-PPy/FeJ60气凝胶的压缩测试；f) CPC及CPC-PPy/FeJ60气凝胶的Zeta电位；g) 在1.0光照下蒸发前后水中污染物浓度；h) 蒸发过程的污染物去除效率；i) CPC-PPy/FeJ60对海水金属离子的脱盐性能。
图8：a) CPC-PPy/FeJ60材料的磁光特性；b) 磁热蒸发系统；c) CPC-PPy/FeJ60材料的磁热温度变化曲线；d) CPC-PPy/FeJ60材料光热-磁热循环蒸发速率；e) 外部蒸发实验装置；f) 外部蒸发实验结果；g) 外部蒸发实验中的环境温湿度数据；h) 不同文献报道蒸发器的蒸发速率与能效对比。
综上所述，本研究成功设计了一种具有磁响应性能的多功能复合气凝胶CPC-PPy/Fe₃O₄（CS/PVA/β-CD-PPy/Fe₃O₄ NPs），其表面具有梯度聚吡咯（PPy）涂层，可用于高效界面太阳能蒸发。通过采用扩散控制的吡咯（Py）原位聚合技术，构建了独特的“外密内疏”非对称结构。该设计不仅确保了光吸收层的疏水性、耐盐性和光热效率，同时通过亲水底部区域保持了毛细管水传输能力。系统的设计优化确定了最佳氧化时间为60分钟。在1.0倍太阳光照射强度下，性能最优的CPC-PPy/Fe₃O₄气凝胶实现了4.20 kg·m⁻²·h⁻¹的优异蒸发速率，能量效率达到116.13%。机理研究表明，掺入的Fe₃O₄纳米颗粒不仅拓宽了太阳光谱吸收范围，还提供了辅助磁热源，进一步使蒸发器能够实现全天候、不间断的蒸发和脱盐。在磁场中，CPC-PPy/Fe₃O₄还可达到1.62 kg·m⁻²·h⁻¹的磁热蒸发速率。此外，梯度PPy结构与超亲水的CS/PVA/β-CD骨架共同建立了平衡的“水-热”管理系统。高度有序的微通道确保了快速的毛细管供水，同时促进了盐离子的有效反向扩散，使系统即使在超高盐度环境（20 wt% NaCl）中也表现出优异的耐盐性。此外，CPC-PPy/Fe₃O₄气凝胶的磁性能便于其回收利用，并保持了结构稳定性。这项工作表明，将磁场辅助蒸发与梯度结构设计相结合，为下一代太阳能脱盐和废水处理技术提供了一条稳健且可持续的路径。
Chen Yang, Qing Han, Zheng Jiang, Yuyuan Tian, Ruyue Liu, Fuxin Zhao, Wilberforce Agbley, Xuechun Wang, Yan Dou, Jianyu Xing, Gradient polypyrrole-coated CS/PVA/β-CD/Fe3O4 NPs magnetic aerogels for efficient solar interfacial evaporation, Chemical Engineering Journal, 544, 2026, 178957, 1385-8947, https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.178957.
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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。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55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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