当前位置：首页>南昌>蒸发材料0116丨南昌航空大学Desalinaztion 论文:一种受香蒲启发、具有可控润湿性的 3D Janus 结构高效稳定太阳能蒸发器

蒸发材料0116丨南昌航空大学Desalinaztion 论文:一种受香蒲启发、具有可控润湿性的 3D Janus 结构高效稳定太阳能蒸发器

2026-02-19 08:02:22

蒸发材料

国际期刊《Desalinaztion》期刊在线发表了题为“A typha orientalis-inspired 3D Janus solar evaporator with controllable wettability for highly efficient and stable solar desalination”的研究性论文。开发了一种受香蒲启发、具有可控润湿性的 3D Janus 结构高效稳定太阳能蒸发器。

《Desalinaztion》是海水淡化与水处理领域的权威国际学术期刊，专注于发表该领域基础研究与应用技术的高质量成果。

识别上方二维码访问论文原文

太阳能驱动界面蒸发器虽在海水淡化和废水处理领域颇具应用前景，但存在结构单一、制备流程复杂等问题。开发兼具稳定性能与高效光热转换能力的多层结构太阳能蒸发器意义重大。本研究通过简单的液相聚合与化学沉积法，将硬脂酸（SA）、多壁碳纳米管（MWCNTs）、聚吡咯（PPy）及胺化多壁碳纳米管（MWCNTs-NH₂）整合于聚氨酯（PU）基体中，成功制备出高效太阳能蒸发器 —— 硬脂酸 / 多壁碳纳米管 @聚吡咯 / 胺化多壁碳纳米管 @聚氨酯（SA/MWCNTs@PPy/MWCNTs-NH₂@PU，简称 SMPMPU）。

该蒸发器受香蒲启发，具有高抗菌性、自漂浮特性的 Janus 双层结构，利用毛细吸附效应调控水流，减缓热传递并显著提升能量利用效率。得益于材料对光能的高效吸收，SMPMPU 太阳能蒸发器的太阳能蒸汽转化效率优异，蒸发速率达 2.40 千克・平方米⁻¹・小时⁻¹；在 1 个太阳光照强度下，蒸发效率高达 92.76%，这一成果归功于 Janus 界面对水分子吸附与蒸发的促进作用。本研究开发的 Janus 双层结构太阳能蒸发器应用前景广阔，有望在海水淡化及其他相关领域得到广泛应用。

全球水资源短缺与环境污染问题日益加剧，淡水需求持续激增，太阳能驱动界面蒸发器因高效、节能、环保的特性成为解决海水淡化和废水净化问题的有效工具，但其存在结构单一、制备流程复杂、蒸发效率低（传统单界面蒸发器蒸发速率多低于 1.47 kg・m⁻²・h⁻¹）、使用寿命短等问题，且传统蒸发器多依赖金属、半导体等材料，生产加工能耗高、污染环境。聚合物复合材料凭借来源丰富、环保易加工、成本低等优势受到广泛关注，相关研发的太阳能蒸发器虽提升了部分性能（如 Jian 等人的 CNTs/PVA 蒸发器蒸发速率为 1.34 kg・m⁻²・h⁻¹，Zhang 等人的 GO-CNT / 纸基蒸发器为 2.1 kg・m⁻²・h⁻¹），但仍存在单界面蒸发、结构简单、稳定性不足等短板，而聚氨酯基材料可通过调节孔径赋予蒸发器多元性能，兼具蒸发效率与环境适应性，为解决上述问题提供了有效途径。香蒲叶片的超疏水特性与根茎的超亲水结构带来了仿生设计灵感 —— 超疏水涂层可减少水分子接触面积、防污染防结晶，超亲水结构能快速吸附传输水分，基于此，研究团队设计了兼具自漂浮、高抗菌性的 Janus 双层结构蒸发器（SMPMPU），通过液相聚合与化学沉积法整合多种材料，旨在解决现有蒸发器蒸发效率低、稳定性差的痛点，推动太阳能蒸发器在水处理领域的广泛应用。

仿生 Janus 双层结构设计
高效光热转换与蒸发性能
全方位稳定适配实际场景

图 1：胺化多壁碳纳米管的制备流程示意图

图 2：硬脂酸 / 多壁碳纳米管 @聚吡咯 / 胺化多壁碳纳米管 @聚氨酯（SMPMPU）太阳能蒸发器的制备流程示意图

图 3：(a) 提供了初始聚氨酯（PU）的扫描电子显微镜（SEM）图像及局部放大图；(b) 展示了聚吡咯 / 聚氨酯（PPU）的 SEM 图像及局部放大图；(c) 呈现了 SMPMPU 亲水结构的 SEM 图像及局部放大图；(d) 描绘了 PU、PPU、MPU、PMPU 与 SMPMPU 的傅里叶变换红外（FTIR）光谱图；(e) 展示了 PMPU、硬脂酸改性多壁碳纳米管（SA-MWCNTs）与 SMPMPU 的 X 射线衍射（XRD）光谱图。

图 4：(a) 初始聚氨酯（PU）材料的水接触角与水滚动角图像；(b) SMPMPU 材料的水接触角与水滚动角对比图像；(c) 60 秒内 PU 材料对水滴的亲水吸附情况；(d) 1秒内 PMPU 材料对水滴的亲水吸附情况；(e) SMPMPU 材料在 pH 值 1-13 的溶液中浸泡 24 小时后的水接触角变化，以及 PMPU 材料经该浸泡后的亲水吸附时间变化；(f) PMPU 材料在不同浓度氯化钠（NaCl）溶液中浸泡 24 小时后的水接触角变化，以及其经该浸泡后的亲水吸附时间变化。

图 5：(a) SMPMPU 双层结构光热过程的示意图；(b) SMPMPU 样品的光学图像；(c) PU、PPU 与 SMPMPU 的紫外 - 可见吸收光谱；(d) 不同光照条件下，SMPMPU 的表面温度随时间的变化；(e) 1 个太阳光照强度下，不同样品的表面温度随时间的变化；(f) 经过 10 次太阳光热辐照循环后，不同样品的稳定表面温度及对应的红外热成像图；(g) SMPMPU 样品光热循环过程的图示；(h) 红外热成像图展示不同光照下，干燥 SMPMPU 的稳定表面温度。

图 6：(a) 太阳能蒸发装置的示意图；(b) 1 个太阳光照强度下，SMPMPU 在不同盐度盐水中的蒸发速率；(c) 1 个太阳光照强度下，纯水、MPU、PPU、PMPU 及 SMPMPU 的水分质量损失；(d) 1 个太阳光照强度下，纯水、MPU、PPU、PMPU 及 SMPMPU 的能量效率与水分蒸发速率；(e) 1 个太阳光照强度下，纯水与大孔径（15 ppi 孔径密度）单层 SMPMPU、小孔径（35 ppi 孔径密度）单层 SMPMPU、双层 SMPMPU 的水分质量损失；(f) 1 个太阳光照强度下，大孔径（15 ppi 孔径密度）单层 SMPMPU、单层 SMPMPU（15 ppi 孔径密度）、小孔径（35 ppi 孔径密度）单层 SMPMPU 及双层 SMPMPU 的能量效率与水分蒸发速率；(g) 1个太阳光照强度下，SMPMPU 与其他蒸发器的能量效率及水分蒸发速率对比。

本研究通过简单的液相聚合与化学沉积法，成功制备出受香蒲启发的 3D Janus 结构 SMPMPU 太阳能蒸发器，其整合多种功能材料形成协同光热体系，在 1 个太阳光照下实现 2.40 kg・m⁻²・h⁻¹ 的高蒸发速率和 92.76% 的蒸发效率，同时具备优异的抗盐沉积、抗生物粘附、机械韧性及耐酸碱、抗 UV 老化等稳定性，有效解决了传统太阳能蒸发器结构单一、效率偏低、稳定性不足的核心痛点，为海水淡化和废水处理提供了高效环保的技术方案；未来研究可进一步优化材料组成与制备工艺以降低成本，通过模块化设计推动蒸发器的规模化应用，同时探索其与储能技术、光催化降解等功能的集成，拓展在含油废水处理、土壤修复、微纳发电等跨领域的应用潜力，为全球水资源短缺问题提供更全面的解决方案。

Yang, G. Y., Yin, Z. Z., Zha, Q. D., Wang, R. T., Xie, Y., Chen, Y. H., Hong, Z., Luo, Y. D., & Xue, M. S. (2025). A typha orientalis-inspired 3D Janus solar evaporator with controllable wettability for highly efficient and stable solar desalination. Desalination, 595,118318. https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.118318.

识别上方二维码访问论文原文

资料整理：周雷豪（阳光净水）

编辑：环境与能源功能材料

周雷豪（阳光净水课题组）

【资料整理】周雷豪，资源与环境专业硕士研究生。

详细内容看课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

识别上方二维码访问课题组

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。

识别上方二维码查看全文

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43次（Web of Science），2025年5月起入选ESI高被引论文。