综述：多功能太阳能界面蒸发系统：界面机制、材料设计及水-能耦合过程

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Multifunctional solar interfacial evaporation systems: interfacial mechanisms, material design, and coupled water-energy processes

　　

**摘要**

太阳能界面蒸发技术作为一种可持续的清洁水生产方案，其研究重点最近已从单纯追求高蒸发速率转向构建新型多功能太阳能界面蒸发系统（MSIES），以实现水净化、能源利用及更多功能的智能化整合。本综述全面探索了MSIES的最新进展，系统分析了界面机制、材料设计与耦合水-能过程之间的复杂相互作用，以及通过材料创新和系统构建所实现的多功能协同效应和高效增益。首先，我们批判性地审视了最先进的器件设计范式，重点关注二维和三维工程化的太阳能界面蒸发器的设计，以优化太阳能吸收、热绝缘和快速毛细水输送。随后，本文强调了一个关键性的范式转变，即向MSIES的设计与构建方向发展。我们系统阐述了太阳能蒸发过程与耦合能量转换和环境修复工作流程的深度融合，包括同步发电（通过热电效应和水伏效应）、热能储存、复杂废水的高级处理（涵盖难降解污染物分解和抗菌消毒）、可持续清洁燃料合成（如光催化析氢和二氧化碳还原）以及高附加值资源回收（包括原油和贵金属回收）。最后，我们概述了当前的瓶颈问题，并对MSIES提供了前瞻性展望。尽管MSIES仍面临大规模制备、长期稳定性和功能协同方面的挑战，但未来通过智能材料设计、模块化系统集成和人工智能优化的研究有望推动MSIES向更高效率、智能化和可持续方向发展，为解决全球水、能和环境挑战提供综合解决方案。

**引言**

太阳能是地球上生命的根本能源来源，直接提供取之不尽的光和热，驱动有机物的光合作用，并维持生态系统的稳定运行[1]，[2]，[3]。从原始的火种点燃和食物干燥到现代的光热转换和光伏发电[4]，[5]，太阳能开发利用的持续创新一直是推动人类文明演化和前沿技术进步的重要动力。作为光热效应引起的最普遍的天然和人工相变过程，太阳能蒸发在稳定水文循环和调节全球气候方面发挥着至关重要的作用，同时激励人类利用无处不在的太阳光进行各种生活和工业应用[6]，[7]。尽管关于太阳能驱动水蒸发的基本概念可追溯至公元前4世纪亚里士多德所记录的古籍文献，但利用这一现象的先驱性人工尝试直到16世纪才出现，而第一座规模化的实用太阳能蒸发系统的建成则直到1872年。这种漫长的历史轨迹反映了将理论认知转化为工程实施所面临的重大挑战和持续努力。绿色可持续太阳能蒸发技术的发展经历了几个阶段。初始模式主要依赖整体蒸发，即需要在全体水体下方直接光照下将整个水体的温度提升至沸点。尽管操作简便，但整体蒸发存在固有缺陷，极大限制了其工业应用。过多的太阳能被浪费在加热整个水体以达到预期的蒸发产出上，从而导致极低的能量收集能力。同时，由于通过传导、对流和辐射向外界环境不可避免地进行严重热量散失，整体蒸发性能受到极大制约[8]。即使在优化的光照强度和热绝缘条件下，传统整体蒸发模式在单倍阳光照射下的液态到气态转化效率理论极限也仅为约24%[9]，[10]。因此，克服这些热力学瓶颈以提升太阳能利用率是一个亟待解决的关键问题。

在过去几十年中，蓬勃发展的太阳能界面蒸发（SIE）作为传统太阳能整体蒸发的有前景替代品应运而生，标志着太阳能利用系统先进形态的革命性重构。通过将光热效应产生的热量精确限制在液-气界面而非下方的整体水体中，该技术大幅降低了热损失并推动蒸发效率接近热力学定律所规定的理论极限[11]，[12]。典型的太阳能界面蒸发系统（SIES）类似于漂浮在水面上的"黑色荷叶"，主要由三个部分组成。具体而言，上层光热层捕获宽谱太阳辐射并将其转化为局部热量，多孔中间框架保持足够的含水量以实现由毛细力驱动连续水输送，而热绝缘基底则有效地进一步减少整个系统的不期望热量散失。近年来，通过对化学组成、多尺度结构和界面特性的理性设计与精密调控，研究者们在提升当前SIES整体性能方面投入了大量努力，包括增强蒸气产生[13]、抑制盐结晶[14]，[15]、抑制污染物挥发[16]以及延长使用寿命[17]，[18]。这些进展共同加速了SIE技术的实际应用，特别是在海水淡化、废水处理和淡水生产领域，但在效能优化和多功能集成方面仍具有巨大的潜力。例如，尽管在水-气界面实现了高效热定位，但残余热量向外界的散失仍处于相对较高的水平，超出了预期。此外，大多数界面光热平台仅专注于光-热转换，而未能利用太阳光谱中的高能光子进行化学能生产。此外，传统太阳能驱动的蒸发过程通常与其他功能模块（如电力生成、光催化气体生产和污染物修复）脱耦。因此，迫切需要提出一种可行的策略，同时提升界面蒸发能力并实现多功能协同，以在整体系统中最大化太阳能的利用。

为解决上述挑战并实施所提出的策略，多功能太阳能界面蒸发系统（MSIES）已被开发为多功能水-能枢纽中心，将水净化与电力生成、污染物降解、太阳能燃料合成及其他功能集成于一体（图1）。例如，通过将SIE与水伏或热电技术耦合，可以实现多模态能量收集[19]，[20]，[21]，[22]，其中流动感应电位或热梯度电位被转化为可用电能[23]，[24]。此外，为缓解太阳辐射的间歇性，可引入多种相变材料（PCMs）以提升太阳能利用率并确保蒸发系统的全天候运行稳定性[25]。同时，集中的界面太阳辐射通量可高效激活嵌入的光催化剂，原位降解有机污染物[26]、分解水制氢[27]或通过CO2光还原合成高附加值化学品[28]。通过太阳光谱分区，高能光子可用于引发污染物降解和太阳能燃料合成（如氢气和甲醇），而低能光子则专门用于界面水蒸发。此外，光热效应可作为界面调节开关，增强水净化效率并提高对各种环境的适应性，赋予MSIES包括光热抗菌[29]、贵金属捕获[30]，[31]，[32]，[33]、原油回收[30]，[31]、自清洁[34]和防冰/融冰[35]在内的多方面才华。通过这种协同模式，太阳能界面蒸发器从被动蒸气发生器演变为用于废水处理、电力生成、电化学反应和光催化生产的主动多功能器件，从而最大化全光谱太阳能利用并实现水-能-材料的协同转化。

MSIES卓越的太阳能利用性能主要源于光热材料强大的太阳能吸收能力和优越的光-热转换能力。迄今为止，已报道并应用了广泛的光热材料来构建不同类型的SIES和MSIES，根据其独特的光热机制可分为四类：金属纳米材料（如金、银、铜和铝）[36]，[37]，[38]，[39]，半导体材料（如氧化物、氮化物、无机钙钛矿、金属有机框架（MOFs）和MXene）[40]，[41]，[42]，[43]，[44]，[45]，[46]，碳基材料（如碳纳米管（CNTs）、石墨烯、炭黑（CB）和生物基碳）[47]，[48]，[49]，[50]，[51]，以及有机聚合物（如聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）和聚多巴胺（PDA））[52]，[53]，[54]，[55]。同时，为最大化吸收入射太阳辐射，光热蒸发器的微/纳结构通常被设计为多孔结构[56]，[57]、纳米阵列[36]，[58]、粗糙表面[59]等构型，以增强光捕获效率。通过合理的材料选择和结构理性设计，光热蒸发器可被赋予理想特性，包括快速太阳能响应、高水蒸发速率、优异抗盐能力和防污性能。

尽管现有文献综述已广泛涵盖了光热蒸发系统[60]，[61]，[62]，[63]、基于光热蒸发的太阳能驱动淡化[64]、太阳能驱动水-电联产[65]以及能效提升策略[12]，[66]，[67]，[68]等主题，但在界面光热材料的系统分类和全面总结方面仍存在明显的研究空白。具体而言，光热材料设计与界面热量和质量传递、水-材料界面相互作用以及蒸发诱导的多级能量转换之间的关系尚未得到全面讨论。作为该领域的基石，鉴于该技术从简单淡化系统快速演变为多功能水-能-资源集成平台，界面光热材料尤为关键，这为将蒸发与发电、热电转换、光催化及其他增值过程集成创造了新的机遇。为弥补这一研究空白，本综述聚焦于过去三年MSIES向智能化整合方向的最新进展。具体而言，我们阐述了光热界面蒸发的协同机制及其协同应用，以及相应的材料/器件设计原则和耦合水-能转换过程。

**章节摘要**

**光热制水**

为应对全球淡水短缺挑战，已提出了一系列海水淡化技术，如膜分离、多级闪蒸和反渗透技术。然而，这些传统海水淡化技术往往存在工艺复杂、消耗大量化石能源、成本高以及环境污染等问题。迫切需要根据可再生能源开发海水淡化技术。

**SIE与水伏发电的耦合**

蒸发是水文循环的核心过程，将环境热能转化为可用能源而无需外部做功。然而，长期以来由于机制不明确、材料限制和设计不可靠，这一能量的收集进展一直受到阻碍。2017年，郭团队的突破首次克服了关键的技术壁垒，开发了基于碳材料的由水蒸发驱动的水伏器件[91]。具有碳纳米管增强的多孔炭黑（CB）薄膜……

**SIE与热电发电的集成**

光热材料的光吸收组分捕获太阳能产生的热量，从而对整体水体产生界面蒸发驱动效应。这促使光热材料和蒸发系统内部水分子的剧烈运动，使太阳能驱动的界面蒸发系统在实现光热转换的同时产生电力[148]。热电效应描述的是一种由于温度……

**SIE与储能融合**

尽管在开发用于海水淡化的SIE方面已取得显著进展，但其整体产量仍受到间歇性阳光的制约。相变材料（PCMs）因其在相变过程中储存和释放大量热能的能力而备受关注[180]，特别是在太阳能热储存领域[25]。在阳光照射下，阳光产生的热量可储存于PCMs中。随后，它将成为SIE……

**SIE与光催化降解结合**

当前SIE在饮用水生产的研究和应用中面临的一个新兴挑战是随着水的逐步蒸发污染物富集的问题[191]，[192]，[193]。最初溶解在水相中的污染物（如染料、抗生素和酚类）越来越浓缩，这会降低光吸收和蒸发效率，从而降低水生产的持续性能[194]，[195]，[196]。此外，某些……

**淡水与氢气联产**

氢气作为一种高热值（142 kJ g?1）和零碳排放的理想能量载体，被视为"碳中和"战略的关键组成部分[245]。然而，现有生产方法受到高成本和大量碳足迹的制约。太阳能驱动光热制氢（SPHP）作为一种有前景的替代方案应运而生，利用太阳能驱动化学反应进行析氢[246]。

SPHP可以集成到SIE中，以产生与CO?还原相关的SIE。在能源利用、工业制造以及水生生态系统代谢活动的过程中，CO?作为一种伴随气体普遍存在于各种水体系之中[266]。过量溶解的CO?不仅加剧水体酸化，危及水生生物的生存及水生生态系统的稳定性，还导致碳资源被低效损耗和浪费[267],[268]。将SIE与光催化CO?还原相结合，为同时实现脱盐和碳资源回收提供了新的思路。

**SIE与贵金属离子回收的协同集成**

贵金属离子（如Cr、Pb、Cd和Hg）存在于工业废水中，由于其分布广泛、渗透性强且毒性显著，对生态系统和人类健康构成了严重威胁[289],[290]。然而，这些普遍存在的污染物同时也是极为稀缺的金属资源。因此，高效回收这些金属离子为废物增值提供了变革性机遇，可将环境危害转化为高价值的二次资源。

**自清洁SIE**

在SIE运行过程中，水体中的无机盐、有机污染物、油性污染物和微生物可能对其服役性能和大规模应用构成核心制约[221],[334]。无机盐的结晶会覆盖吸光层，堵塞水分和蒸汽传输通道，导致光吸收效率和光-蒸汽转换效率急剧下降[335]。有机物质和油性污染物的黏附会进一步降低系统性能。

**结论与展望**

SIE技术能够高效地将太阳能转化为热能并将其局域化于气-液界面，从而提升水的蒸发效率。它为应对全球淡水资源短缺和能源分布不均问题提供了一种前景广阔的、低成本且可持续的解决方案[303],[407]。面向水净化、能源利用等多领域的智能化集成，将多种功能整合到多功能SIE系统（MSIES）中，以提高太阳能的利用效率并增强系统附加值，是该领域未来发展的重要方向。

**CRediT作者贡献声明**

Ziyuan Wang：撰写——初稿、可视化、形式化分析、数据管理。Huiyue Wang：撰写——初稿、可视化、形式化分析、数据管理。Chunhao Lu：撰写——初稿、验证、形式化分析、数据管理。Liang Li：撰写——初稿、可视化、数据管理。Xueying Wen：撰写——初稿、可视化、数据管理。Guixin Hu：撰写——初稿、可视化、数据管理。Qingquan Tang：撰写——审阅与编辑。

**利益冲突声明**

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52373099、22572219）、华中科技大学交叉学科研究计划（项目编号：2025JCYJ051）以及新能源化学与器件创新与人才引育基地（项目编号：B21003）的资助。作者感谢上述资金支持使本研究得以实现。

Ziyuan Wang | Huiyue Wang | Chunhao Lu | Liang Li | Xueying Wen | Guixin Hu | Qingquan Tang | Guangying Qi | Binrui Wu | Jiang Gong | Xin Cui

武汉纺织大学 材料科学与工程学院，国家纺织新材料及先进加工工程技术研究中心，湖北纺织新材料及应用重点实验室，中国 武汉 430200