摘要：全球水资源短缺问题日益严峻，传统水处理技术存在效率不足和高能耗等局限性。太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术通过将光热能量局部集中于空气/水界面进行蒸发，凭借其卓越的性能吸引了广泛关注，为海水淡化、污水净化等提供了绿色高效解决方案。因此，建立科学标准以评估其性能

[背景介绍]

全球水资源短缺问题日益严峻，传统水处理技术存在效率不足和高能耗等局限性。太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术通过将光热能量局部集中于空气/水界面进行蒸发，凭借其卓越的性能吸引了广泛关注，为海水淡化、污水净化等提供了绿色高效解决方案。因此，建立科学标准以评估其性能、优化系统设计，并确保高效的实际应用显得尤为重要。近年来，研究者通过构建多级次结构和优化功能化材料，强化光热管理、优化供水与盐分管理策略、调控蒸发焓变、以及设计有效的冷凝与潜热回收机制，显著提升了太阳能利用效率和水净化效率，并在多个领域展现出多样化应用潜能。

图1. 界面蒸发技术研究概述图：系统性能主要影响因素与水净化协同的多功能应用。

[文章亮点]

近日，北京航空航天大学赵勇教授团队结合界面蒸发技术领域研究基础与发展现状，提出建立标准化测试条件与太阳能–蒸汽转换性能统一评估标准，综述了通过多因素协同调控策略界面蒸发技术的发展与水净化之外的多领域功能应用，以推动SDIE技术提升与实用化应用进程。如图1所示，作者探讨了驱动系统协同作用的基本机制，重点分析材料组成、微观多级次结构及宏观三维框架设计如何增强太阳能吸收和光热转换，热局域管理，平衡水通道设计与抗盐能力优化，控制水分子与材料表面的作用方式以降低蒸发过程中焓变，以及优化冷凝过程等，这些策略的协同优化对于最大化SDIE效率至关重要。通过将系统性能评估与影响因素的优化策略相结合，作者进一步综述了SDIE技术最新多功能应用拓展，探讨其在多场景水净化、耦合大气集水、盐分收集、蒸发协同发电以及光热除冰等方面的应用。提出该领域既面临诸多挑战，也蕴含着巨大的发展机遇。未来应整合基础理论、材料与设备协同设计、功能集成及实际需求驱动创新的策略，以解决日益严峻的水和能源挑战。

图2. 等离激元材料、半导体材料、碳基材料的光热转换机制。

高太阳能–蒸汽转换效率依赖于在宽太阳光谱范围内的强吸收和高效的光热转换。因此，高吸收率、低反射率和低发射率是高效太阳能吸收材料的关键考量因素。近年来，等离激元材料、半导体材料、碳基材料、光热聚合物、MXene、金属有机框架（MOF）和共价有机框架（COF）等材料的创新研究进展推动了光吸收能力增强，这些材料在光热蒸发领域中发挥着重要作用，为高效太阳能驱动水蒸发提供了丰富的选择。太阳波段集中在200-2500 nm，材料光热特性与入射光波长之间存在对应关系。太阳作为唯一的能量输入，优化光热材料实现高效的光吸收是关键，图2对不用材料光热转换机制进行了阐述。在原子和亚纳米尺度上，构建微/纳米结构以及调整材料的表面特性、形状和尺寸，以及设计缺陷、掺杂或复合工程等以优化上述材料在太阳光波段的光热转换效应。在纳米/微米尺度上，研究人员表面粗糙度和角度有关的光路控制来提高光捕获能力。具体方法包括多重内反射、光散射和光约束效应，以增强光吸收。

图3. 光热界面蒸发技术过程与关键影响因素与研究进展。

此外，通过合理的蒸发结构设计，实现多个关键因素的协同作用，对于提升系统整体性能至关重要，如图3所示。优化热局域效应与高效水输运机制，能够最大程度地利用光热转换产生的能量加热界面水，同时抑制热量向水体的传导损失，控制热对流，并减少系统向外界的热辐射，从而进一步提高蒸发效率。图4总结与对比了当前界面蒸发材料水传输路径的策略。

图4. 热局域策略以抑制热传导，同时确保足够的水供应到蒸发表面。

在海水或高盐度环境下，耐盐性是衡量材料在长期海水淡化过程中稳定运行的关键因素。如图5所示，通过梯度调控和离子工程，有效管理盐分稀释回流，或者引导盐离子在特定区域结晶并主动脱落，对于防止水通道堵塞或盐覆盖光热表面所导致的蒸发效率下降至关重要。当前对于蒸发焓降低机制的解释存在不同观点，主要涉及超水合作用界面中间水的形成、分子团簇蒸发以及光分子效应等因素。尽管这些理论机制仍需进一步深入研究，但降低水蒸发所需的焓变能耗无疑有助于提升蒸发效率和能量转换效率。此外，有效的冷凝设计决定最终的水收集转换效率。同时，设计多级蒸发器回收利用冷凝热，可提高能量利用效率和水产率。

图5. 盐回流和盐结晶策略。

值得注意的是，同时优化所有指标通常是不现实的，热局域、水供应和盐管理之前同样存在权衡关系。如在优先考虑热局域的情况下，可能导致水通道空间受限和水供应不足；反之，增加水通道设计可以强化水供应和促进盐离子回流，但可能加剧向下热传导损失。因此，合理配置这些因素对于满足特定应用需求至关重要。近年来，界面蒸发领域取得快速进展，发展出光热粒子、二维光热蒸发器（包括单层均质膜、Janus膜、毛细限制水传输通道膜、无接触式膜），三维（3D）光热蒸发器（包括泡沫、水凝胶、气凝胶、生物基材料和3D打印材料）以及其他形式蒸发器等。由于3D结构通常具有互连的多孔结构、更大的蒸发界面和灵活的调节能力，因此SDIE效率更高。此外，3D蒸发器在水表面和蒸发顶面之间的大比表面可以通过吸收环境热量，促进冷蒸发，提高蒸发效率。作者对以上多种体系报道的蒸发效率和转换效率在文中进行了总结。

图6. 界面蒸发技术用于复杂环境下的水净化、锂离子提取和光催化耦合。

除了适用于多种复杂环境下的水净化外，该技术还可结合大气集水、实现盐分收集、水电联产及光热除冰等功能。这些创新方向推动了更高效、更可持续的功能开发，为解决现实世界水、能源和环境目标提供了灵活的独立或集成方式策略。如图6所示，SDIE系统可针对不同类型的污染水进行净化。例如，可通过光热效应或活性组分修饰实现灭菌功能。该系统还可有效净化油污染海水、复杂环境中的挥发性有机化合物，以及染料废水，经过净化的水可进一步用于农业灌溉。此外，SDIE系统还能选择性地吸附或传输特定离子，实现经济价值较高的金属离子（如铀、锂）的提取。此外，该系统还可与光催化体系耦合，促进光降解污染物以及光解水制氢。

图7. 界面蒸发与大气集水技术联合应用。

界面蒸发与大气集水技术结合使用，可在更广泛湿度范围内有效获取清洁水，尤其在干旱地区具有重要应用价值。通过吸附材料合理设计，优化水–吸附剂相互作用动力学以及光热性能，在夜间，气温较低时，吸附材料从空气中捕获并吸附水分子；白天，在光热作用下，吸附的水分被释放，同时吸附材料得到再生，实现全天候连续取水（图7）。这一过程无需传统外部能源加热，依靠循环吸附–解吸机制，发展了一种绿色、可持续的分布式水收集方式。

图8. 界面蒸发处理高浓度盐水的能力并实现盐分收集。

处理高浓度盐水的能力使得零液体排放的盐回收成为可能。通过诱导盐在特定位点或边缘有效成核、结晶和积聚，随后通过再润湿、溶解或重力作用使得盐被动脱落（图8）。

图9. 水伏效应利用水流通过功能化纳米通道时的剪切作用产生电能。

水电联产在SDIE中的应用为清洁、可持续能源解决方案提供了广泛的潜力（图9）。纳米通道限域内水流和离子流之间的剪切作用可在通道两端产生电势差、基于塞贝克效应的热电发电、盐度梯度、湿度变化、光伏、热电池、压电响应、摩擦电效应以及水波能等都能实现电力生产。此外，通过合理存储与利用产生的电能，可用于促进夜间电热驱动的蒸发过程，确保全天候蒸发。

图10. 超疏水防覆冰与界面蒸发光热除冰结合进展。

近年来将超疏水防覆冰表面与光热除冰效应结合（图10），具体包括以下几个方面：(i) 超疏水表面能够及时移除水滴，防止形成冰霜；(ii) 多级次微纳结构捕获空气作为隔热层，阻隔低温从冷表面传递到水滴，延缓冻结过程；(iii) 微纳结构能降低冰的附着力，便于冰的去除；(iv) 光热转换可以将太阳能转化为热能，从而防止冰霜的形成并融化已有的冰霜。与传统方法相比，这种方法无接触、环保且成本效益高，已被认为是防覆冰/除冰应用中的一种有前途的解决方案。

图11. SDIE技术发展和未来展望图

推动可持续和高效的水与能源技术，需要从关键科学机制、系统优化与应用需求相结合的角度进行创新优化。图11展示了SDIE技术的发展与未来设计概述图。未来，这将为工业和家庭领域提供更高效、更具多功能的水净化–能源解决方案开辟新的发展机遇。为确保商业竞争力，这些系统必须具备显著的成本效益、良好的用户体验和长期的耐用性。在人工智能时代，SDIE过程可以通过AI集成进行预测、优化、升级和监控，从而实现前所未有的效率和精度。随着技术的持续进步，SDIE系统有望成为解决全球水资源和能源挑战的重要手段，为可持续发展做出积极贡献。

[总结/展望]

研究团队系统性地总结了SDIE技术的基础机理、影响因素、发展现状以及拓展应用的优化策略。界面蒸发技术为全球水资源和能源问题提供了可持续的创新解决方案。作者指出，未来应聚焦光子微纳结构工程、材料开发、设备协同优化及与其他技术的融合应用，为水能共生奠定基础，推动技术向高效化、智能化和规模化的可持续发展方向进步，并促使其在实际应用中的落地，解决关键的环境与资源挑战。

相关论文发表在期刊ACS Nano上，北京印刷学院侯兰兰副教授为文章第一作者，北京航空航天大学王女、赵勇教授为通讯作者。

通讯作者信息：

侯兰兰，北京印刷学院副教授，北京印刷学院青年英才。北京航空航天大学博士、博士后。主要研究方向为仿生超浸润多级纳米纤维材料的制备及其在界面蒸发、单向透过、液体分离领域的应用。以第一及通讯作者在ACS Energy Lett.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、The innovation、NPG Asia Mater.、Desalination等学术期刊发表学术论文。主持国家自然科学基金青年项目、北京市自然科学基金面上项目、中国博士后基金面上项目一等资助、中国博士后国际交流项目。

王女，北京航空航天大学副教授，博士生导师。主要研究方向为仿生功能性微纳米纤维材料的制备及结构分析；有机/无机多级结构微纳米纤维材料的电纺制备及性质研究。在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、Adv. Sci.、Carbon Energy、ACS Energy Lett. 等学术期刊发表论文50余篇，授权国家发明专利10余项。主持国家自然科学基金青年项目，国家自然科学基金面上项目，北京市自然科学基金面上项目等，参与973，863等项目。2009年获北航“蓝天新秀”称号，2011年，2015年获“唯实”青年人才培育基金。

赵勇，北京航空航天大学教授，博士生导师。主要研究方向仿生多尺度结构微纳米纤维材料制备及其在超浸润界面、能源与催化领域的应用研究。在Nature、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、PNAS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Matter、ACS Nano、Adv. Funct. Mater. 等学术期刊发表SCI论文150余篇。研究工作被Nature评述报道，入选Elsevier 2021、2022年度“中国高被引学者”。教育部新世纪优秀人才计划，中组部万人计划“青年拔尖”人才计划。主持和参与国家自然科学基金优秀青年科学基金、国家自然科学基金面上项目、国家重大科学仪器开发专项和国防项目、国家自然科学基金重点项目、863、973等项目。担任中国化学会仿生材料化学专业委员会委员，中国复材学会超细纤维复材分会副主任委员，中国复材学会微纳米复材分会常务委员，中国海洋学会海水淡化与水再利用分会青年专家委员会委员，中国研究型医院学会运动医学专业委员会委员等。

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来源：高分子科学前沿