摘要：淡水资源短缺问题已跻身全球最严峻问题之列。尽管传统的海水淡化技为解决这一问题提供了的可行方法，但是浓盐废水的排放严重影响了生态环境。近年来，太阳能驱动界面蒸发技术因其环保和高效等特点，被广泛认为是最有前景的淡水生产技术之一。然而，传统太阳能蒸发器在海水淡化过程
淡水资源短缺问题已跻身全球最严峻问题之列。尽管传统的海水淡化技为解决这一问题提供了的可行方法，但是浓盐废水的排放严重影响了生态环境。近年来，太阳能驱动界面蒸发技术因其环保和高效等特点，被广泛认为是最有前景的淡水生产技术之一。然而，传统太阳能蒸发器在海水淡化过程中面临盐分结晶的问题。沉积在蒸发器表面的盐结晶不仅降低太阳光吸收率，还阻碍了盐水供应，最终导致蒸发性能显著下降，大幅缩短了蒸发器的使用寿命。因此，传统太阳能蒸发器通常需要在稳定蒸发与盐积累之间做出权衡。突破这一限制，实现高浓度盐水连续脱盐过程中的长期高效稳定蒸发，是下一代蒸发器设计的关键目标。
基于以上挑战，山东第一医科大学李晨蔚教授团队受红树林盐分泌及盐水运输机制启发，提出了一种具有外部光热层和内部供水通道的仿生太阳能蒸发器。外部光热层可实现有效阳光吸收、快速蒸汽扩散及均匀表面盐结晶；内部供水通道则保障盐水高效输送并及时供应至结晶表面进行持续蒸发。该设计不仅能够最大限度减少光热材料消耗，同时改善盐水输送效率，使蒸发器表面形成多孔盐晶体，从而实现从近饱和盐水中连续有效蒸发与盐收集，最终达成水和盐完全分离。在25 wt%盐水条件下，BSE展现出卓越的蒸发性能（3.98 kg m⁻2121）、长期耐久性（连续运行7 天）以及零液体排放脱盐特性。户外测试显示，BSE可实现3.50 kg m⁻21 的创纪录淡水产率。此外，BSE能够将多种受污染水源净化为符合世界卫生组织标准的淡水。与传统太阳能蒸发器相比，BSE突破了稳定蒸发与盐积累之间的长期权衡，实现了在高浓度盐水条件下的高效稳定的脱盐和盐分收集。更重要的是，通过将BSE的设计理念扩展至其他太阳能海水淡化系统，验证了其广泛适用性。本研究提出了一种通用型太阳能蒸发器设计方案，为下一代适用于高浓度盐水连续脱盐的高效稳定蒸发器提供了关键设计思路。相关工作以“Bio-inspired solar evaporators for stable and efficient desalination of high-salinity brine with zero liquid discharge”为题（DOI：10.1016/j.scib.2025.04.071）发表在综合性国产领军期刊Science Bulletin。山东第一医科大学李晨蔚教授与丁美春副教授为该论文的共同通讯作者。山东第一医科大学丁美春副教授和2022级硕士研究生赵德民为本文第一作者。山东第一医科大学为本文第一完成单位。
【图文解析】
图1 . 传统太阳能蒸发器（SE）与仿生太阳能蒸发器（BSE）的对比。（a）传统SE由于孔隙连通性低且曲折度系数高，在表面积累盐分，形成致密盐壳，阻碍蒸汽释放和盐水传输。这导致了长期以来在稳定蒸发和盐积累之间的权衡。（b）一棵生长在海水中的红树林的照片，其通过木质部输送盐水，并从叶子中分泌盐分。（c）BSE包含外部光热层和内部供水通道，有助于盐水输送，形成多孔的珊瑚状盐壳，有利于蒸汽释放及盐水传输。这种设计打破了稳定蒸发和盐积累之间的权衡。
图2. BSE的制备与表征。（a）展示了BSE从MF经过简单的喷涂、常压干燥和太阳光还原的制备过程的示意图。（b）MF、（c）GO/CNCs/MF复合材料以及（d）BSE的SEM图像。（e）展示了BSE吸水试验的照片，验证了其优异的吸水性能。（f）在空气中，MF和BSE在有无太阳辐射（1 kW·m⁻²）条件下的热红外图像，对比了两者在不同光照条件下的温度变化情况，突显了BSE在光热转换方面的优势。
图3. BSE的高效稳定太阳能淡化性能。（a）在1个太阳光照射下，传统SE和BSE在25 wt%盐水中连续48小时进行的三次平行实验的平均蒸发速率。传统SE在1个太阳光照射下连续脱盐过程的（b）照片及（c）热红外图像。（d）传统SE和BSE在25 wt%盐水中连续48小时进行的三次平行实验的侧面表面平均温度。BSE在1个太阳光照射下连续脱盐过程的（e）照片及（f）热红外图像。BSE与其他太阳能蒸发器（g）综合脱盐性能和（h）盐收集性能的比较。
图4. BSE多孔盐壳形成的机理。（a）示意图与图片展示了传统SE在连续太阳能脱盐过程中表面上的盐积累形成了一个致密的盐壳，阻碍了蒸汽的释放和盐水的运输。（b）示意图与图片展示了BSE在连续太阳能脱盐过程中表面上的盐最终形成多孔盐壳，以促进蒸汽释放和盐水传输。（c）致密盐壳和（d）多孔盐壳的SEM图像。传统SE与BSE的（e, h）温度分布、（f, i）水流速度、（g, j）盐度分布的数值模拟。
图5. BSE设计的通用性。（a）在1个太阳光照射下，高度分别为1 cm、3 cm和5 cm的BSE在25 wt%盐水中连续运行48小时的蒸发速率。（b）BSE（长方体）和（c）BSE（三棱柱）在25 wt%盐水中连续运行48小时的蒸发速率及对应的照片。（d）在1个太阳光照射下，BSE在25 wt%盐水中连续96小时的蒸发速率。（e, f）照片展示了组装的BSE（GO/MXene）和BSE（PPy）分别进行两个循环、各48小时的脱盐测试。在第一个循环结束后，通过将GO/MXene层替换为PPy层，BSE可立即开始启动第二个循环测试，并快速恢复盐分收集功能。
图6. 户外太阳能脱盐与水净化。基于BSE的淡水收集装置在2023年9月3日户外太阳能脱盐（a）测试前和（b）测试后的照片。（c）户外测试结束时BSE产生的水和盐的照片。（d）户外测试期间的环境条件（温度和自然太阳光强度）、盐收集率及淡水产率。（e）从9月1日至9月7日连续7天户外测试中，BSE的淡水产率与环境条件（平均温度和相对湿度）的变化情况。（f）基于BSE的装置与已报道的太阳能脱盐系统的淡水生产性能对比。（g）太阳能脱盐前后25 wt%盐水中的Na⁺浓度。（h）太阳能脱盐前后实际海水样本（来自中国黄海）中四种主要离子（Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺）的浓度。（i）太阳能脱盐前后工业废水的浓度。（j）BSE净化染料废水以获得淡水的照片。（k）净化前后染料废水的紫外-可见光谱。（l）净化前后含菌湖水中细菌的数量。插图：分别加入湖水和净化水后培养基上的细菌生长情况。
【第一作者简介】
丁美春，硕士生导师，山东第一医科大学化学与制药工程学院副教授。2015年7月获中国科学院化学研究所博士学位，师从张军研究员。2021年9 月加入山东第一医科大学，并加入“石墨烯功能复合材料”研究团队。研究方向包括太阳能界面蒸发器的制备与应用、生物质水凝胶的制备及其在生物医用中的应用。以第一作者或通讯作者在Science Bulletin、Advanced Science、Carbon Energy、Carbohydrate Polymers等期刊发表高水平SCI论文20 余篇，并获得授权发明专利2 项。
【通讯作者简介】
李晨蔚，泰山学者青年专家，济南C类人才（省级领军），山东第一医科大学化学与制药工程学院教授、博士生导师。2016年在中国科学院化学研究所取得博士学位，师从刘琛阳研究员。2021年加入山东第一医科大学，并组建“石墨烯功能复合材料”研究团队。近年来，主持国家自然科学基金等各类科研项目9 项。以第一作者或通讯作者在Science Bulletin、Advanced Materials等国际知名期刊上发表SCI论文40 余篇，其中ESI热点论文2 篇，ESI高被引论文7 篇，总被引次数2100余次，H指数为23 。授权专利4项。曾获批山东省材料科技成果二等奖（第一完成人）、于金明科研创新奖等多项荣誉。目前担任Exploration 期刊学术编委，以及Carbon Energy、Nano Materials Science、Carbon Neutralization、Green Carbon等期刊的青年编委。
来源：高分子科学前沿一点号1
