蒸发材料丨西南林业大学/南京林业大学/诺森比亚大学AFM论文丨沙漠植物启发的多级纳米纤维膜：用于集成太阳能海水淡化与重金属修复

2026年9月，国际期刊《Advanced Functional Materials》在线发表了西南林业大学/南京林业大学/诺森比亚大学题为 “Desert Plant Inspired Hierarchical Nanofibrous Membranes for Integrated Solar Desalination and Heavy Metal Remediation” 的研究论文。该研究受沙漠骆驼刺启发，以纤维素、壳聚糖和MIL-68(In)构筑生物质基纳米纤维膜，并利用其对Cu²+捕获作用诱导CuO纳米花原位生长，实现了重金属污染修复与太阳能界面蒸发的一体化。优化后的NFCu-1-18 kV膜对Cu²+的平衡吸附容量达到102.05 mg g⁻¹去除效率达到93.42%；在 1 Sun 条件下，蒸发速率达到 2.80 kg m⁻² h⁻¹，太阳能-蒸汽转换效率高达98.95%。同时，DFT计算揭示了CuO活性界面对界面水分子的预活化作用，为其高效蒸发性能提供了原子尺度机制解释。《Advanced Functional Materials》是Wiley旗下期刊，主要刊登材料科学领域的高水平研究成果，属于中科院材料科学1区TOP期刊。

第一作者：何玉琼，罗荣钢

通讯作者：徐开蒙，葛省波，Ben Bin Xu

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78338

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淡水短缺是一个全球性挑战，而水体中的重金属污染正日益加剧。太阳能驱动的界面蒸发技术因其高能效和环境友好性，已成为一种极具吸引力的解决方案。受沙漠植物—骆驼刺的启发，开发了一种基于生物质的复合纳米纤维膜，用于在受污染水中捕获重金属并实现太阳能驱动的水分蒸发。通过将纤维素、壳聚糖与MIL-68(In)进行静电纺丝，随后在纳米纤维网络上原位生长出氧化铜（CuO）纳米花。这种由交织纳米纤维构成的分层多孔网络，表面覆盖着粗糙化的纳米花，可实现优异的宽带光捕获性能。同时，CuO纳米花作为催化界面，通过高效的电荷转移激活界面水分子，从而降低解离能垒，实现快速且稳定的水蒸气生成。在一个太阳光照（1 kW m⁻²）条件下，该膜的蒸发速率可达2.80 kg m⁻² h⁻¹，光热转换效率高达98.95%。本研究制备的生物质基复合膜同时具备重金属捕获和水净化功能，为水净化和资源回收建立了多尺度设计策略。

淡水短缺与重金属水污染的叠加，使清洁水获取与污染物去除成为水处理领域的重要挑战。传统太阳能蒸发材料多依赖金属、碳材料或半导体等光热组分，制备过程相对复杂，且功能通常集中于水蒸发与净化，难以兼顾重金属污染修复。相比之下，以纤维素、壳聚糖为代表的天然生物质具有来源广泛、可再生、低成本和环境友好等优势，其丰富的羟基和氨基不仅有利于构建亲水输水通道，还可为重金属离子提供吸附和配位位点，为开发可持续、多功能水处理材料提供了良好基础。然而，生物质材料在光能捕获与热转换方面仍存在不足，如何通过界面功能化实现污染物捕获、太阳能转化与清洁水生产的协同集成，仍是多功能水处理材料设计中的关键挑战。

1、仿生沙漠植物骆驼刺构筑生物质基NFCu多级纳米纤维膜，实现Cu²⁺捕获与CuO纳米花原位生长。

2、NFCu多级纳米纤维膜兼具重金属去除与太阳能蒸发双重功能，Cu²⁺去除率达93.42%，蒸发效率达98.95%。

3、DFT揭示CuO活性界面可促进水分子活化，降低蒸发能耗。

受沙漠植物骆驼刺（Alhagi camelorum）水分传输与重金属富集机制启发，提出了一种生物质基多级纳米纤维光热膜构筑策略。以纤维素、壳聚糖和MIL-68(In)构建生物质基多级纳米纤维膜，通过Cu²+捕获诱导CuO纳米花原位生长，实现污染物去除与光热功能增强的协同。所制备NFCu复合膜表现出优异性能，Cu²+吸附容量达到102.05 mg g⁻¹，去除效率达93.42%，并在一个太阳光照下实现2.80 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率和98.95%的转换效率，为重金属资源化利用和太阳能高效光热转化提供了新思路。

图1双功能NFCu膜的设计与表征(a)以Alhagi camelorum为灵感，集成光子捕获、定向水传输和重金属离子吸附，实现光热蒸发与重金属去除的耦合(b–e)在NF基底上CuO原位生长过程中的动力学与形貌演变，不同生长时间下的Cu 2p XPS谱(b) 5分钟(c) 30分钟(d) 120分钟(e) 240分钟(f–i)不同时间点的SEM图像及其对应的EDS映射

在重金属吸附方面，优化后的NFCu-1-18 kV膜表现出优异的Cu²+捕获能力。这主要得益于纤维素/壳聚糖丰富的–OH和–NH2官能团以及MIL-68（In）与Cu²+之间的协同作用，同时为CuO纳米花的原位生长提供了良好的成核基础。CuO纳米花的引入进一步显著提升了膜的光热性能，在一个太阳光照（1 kW m⁻²）下，NFCu-1-18 kV膜表面温度可快速升至82.1 °C，远高于原始NF膜的31.8 °C，表明其具有优异的太阳能吸收与光热转换能力，为高效界面蒸发提供了基础。

图2 NFCu膜的吸附和光热性能。(a)时间依赖的Cu²⁺吸附容量(b)吸附效率(c)吸附后实物变化(d)不同样品的紫外-可见-近红外吸收光谱(e)反射光谱(f)不同样品加热后的FTIR光谱(g)在1太阳光照下表面温度变化曲线(h) 2分钟内对应的加热曲线(i)红外热成像显示在1太阳光照下的温度分布。

交织的纳米纤维网络和CuO纳米花间隙形成连续毛细通道，NFCu-1-18 kV膜具有优异的润湿和输水性能。在一个太阳光照条件下，NFCu-1-18 kV膜的蒸发速率达到2.80 kg m⁻² h⁻¹，约为纯水自然蒸发的5.1倍，太阳能-蒸汽转换效率高达98.95%。同时，其蒸发表面温度可达82.5 °C。在真实铜矿废水中，NFCu膜还可同步去除Cu²⁺、Fe3⁺和SO4²⁻等污染物，其中优化后的膜可捕获约2.0 mg Cu²⁺。被吸附的Cu2⁺还可进一步转化为CuO纳米花，从而增强材料的光热性能，实现污染物去除与太阳能蒸发净水的协同提升。

图3 NFCu膜的太阳能蒸发性能（a）毛细传输的装置示意图（b）毛细传输测试的实物图（c）传输关系图（d）太阳能-水耦合装置示意图（e）NFCu的光热界面蒸发机制（f）在1太阳光照下，NFCu膜的蒸发速率（g）不同蒸发器（NFCu）在1太阳光照下的红外热成像（h）不同粒径（i）和生长时间下的水分质量变化（j）通过吸附处理铜矿废水的示意图（k-l）已报道的光热材料与NFCu对比

通过DFT计算分析了CuO表面对水分子的吸附与活化行为。结果表明，CuO可促进界面水分子的吸附、氢键重构及部分解离，其中第一层和第二层水分子的活化能垒分别仅为0.0925 eV和0.3209 eV。电荷分析进一步表明，CuO与水分子之间的电子相互作用可削弱O–H键及界面氢键网络，从而降低水蒸发所需的能量。因此，CuO纳米花不仅作为高效光热层，还可充当活性界面促进水分子活化，从原子尺度解释了NFCu膜优异的太阳能蒸发性能。

图4 DFT计算揭示CuO促进界面水活化的作用机制（a–f）水分子在CuO表面的吸附、氢键形成及解离过程（g,h）界面水活化的能量变化（i–l）水分子与CuO之间的电荷转移情况

综上，该研究受骆驼刺启发，构建了一种集重金属吸附、快速水传输和界面水活化于一体的生物质基多级纳米纤维光热膜。优化后的NFCu膜在一个太阳光照下实现了2.80 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率和98.95%的太阳能-蒸汽转换效率，并能够进行实际矿山废水处理。该工作为光热高效转化与重金属污染治理提供了新的多功能材料设计思路，同时揭示了多级结构、光热界面与水分子活化之间的协同机制，为低成本、可持续水处理材料的开发提供了理论与应用参考。

Yuqiong He, Ronggang Luo, Shengbo Ge*, Kaixin Jiang, Kirsten Dyer, Xiaojian Zhou, Ben Bin Xu*, Xuehua Zhang*, Guanben Du, Kaimeng Xu*. Desert Plant Inspired Hierarchical Nanofibrous Membranes for Integrated Solar Desalination and Heavy Metal Remediation[J]. Advanced Functional Materials, 2026: e78338. https://doi.org/10.1002/adfm.78338

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撰稿：何玉琼

编辑：环境与能源功能材料

审核：徐开蒙

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