蒸发材料丨江南大学JEC论文丨受荷叶启发的三维生物质蒸发器：具有润湿性异质性和相变协同效应，用于连续水-电联产

2026年9月，国际期刊《Journal of Energy Chemistry》在线发表了江南大学纺织科学与工程学院题为“Lotus-inspired 3D biomass evaporator featuring wettability heterogeneity and phase-change synergy for continuous water-electricity cogeneration”的研究性论文。本文阐述了受莲花启发的三维生物质蒸发器用于连续水-电联产，核心叙事不是单点材料性能，而是用“仿生结构—润湿性异质—相变协同”把疏水相变花瓣与双层亲疏水气凝胶莲蓬统一到一条可比较、可复用、可工程化的逻辑链条中，并给出太阳能界面蒸发情境下的关键作用机制（定向水传输、热定位、潜热缓冲、离子梯度产电等）与代表性高性能案例。《Journal of Energy Chemistry》是Elsevier旗下期刊，该期刊2025-2026最新影响因子为14.0左右，主要刊登能源化学领域（包括

太阳能转化、储能、电催化、界面蒸发等）的研究成果，属于中科院化学1区、小类能源与燃料1区期刊。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2026.08.075

第一通讯单位：江南大学

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太阳能驱动的界面蒸发器的连续运行受到间歇性太阳辐照和热管理不足的制约。尽管相变材料（PCMs）可以储存潜热以实现全天候蒸汽产生，但其实际应用受到液体泄漏和热量释放不均匀的阻碍。受莲花启发——莲花中疏水花瓣表面与亲水花托共存，从而实现快速定向水传输——我们设计了一种双功能蒸发器，通过异质集成将润湿性对比与形状稳定的PCM封装相结合。该蒸发器由疏水相变“花瓣”（C/SA/T-Cu/SiO₂/C22）和双层圆柱气凝胶“莲蓬”组成，前者提供长期自漂浮稳定性和持续潜热释放，后者包括超亲水外层（C/SA/T-Cu/SLS/PEG）和超疏水内层（C/SA/SiO₂/VTMS）。这种结构协同调控供水与热定位，COMSOL模拟证实，“花瓣”与“莲蓬”之间的温度梯度将热流导向蒸发界面。在1个太阳光照下，该系统实现了5.23 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率和98.43%的优异能量效率。此外，蒸发过程中建立的离子浓度梯度同时产生了约304.83 mV的峰值电压。这种仿生设计克服了传统单一用途蒸发器的功能局限，为同时实现高效淡水生产和低品位能量收集提供了一条途径。

全球淡水短缺使海水淡化受到广泛关注，但反渗透、多级闪蒸等传统技术仍受高能耗、设备复杂和成本高的限制，因此开发高效、低能耗、经济可行的淡化技术成为重要方向；三维结构蒸发器虽能通过改善光吸收、水传输和热局域提升蒸发性能，但多数系统仍依赖单一光热转换机制，难以实现全天候连续蒸发并有效利用伴随能量；相变材料因其高储能密度和相变过程近似等温的特性，在克服太阳能间歇性、实现全天候稳定蒸汽产生方面具有潜力，然而传统相变材料存在液态泄漏和固-液相变过程中宏观结构坍塌的问题，且热量释放往往集中在气-液界面附近，对蒸发器侧壁和周围水体的热贡献有限，导致热分布不均并限制蒸发效率进一步提升；在此背景下，仿生设计为构建多功能材料和集成系统提供了新思路，莲花即为典型代表——其花瓣表面通过微纳结构和低表面能蜡质涂层实现超疏水，而中央花托则通过梯度孔隙实现快速定向水传输，这种疏水保护与亲水导水在单一生物系统中的协同共存，为构建稳定、高效且具有集成热管理能力的蒸发系统提供了有价值的结构灵感。

仿莲花亲疏水异质结构 + 相变协同

高效蒸发与定向热管理

水-电联产与长期稳定运行

图 1. (a) 受莲花启发的亲水-疏水异相变材料。(b) SE 示意图，展示自浮力与防倾覆原理。运行

图 2. (a) C/SA/T-Cu/SLS/PEG 的 SEM 图像。(b) 用于 EDS 分析的 C/SA/T-Cu/SLS/PEG 的高倍率 SEM 图像。(c) C/SA/T-Cu/SiO₂/C₂₂ 的 SEM 图像。(d) 用于 EDS 分析的 C/SA/T-Cu/SiO₂/C₂₂ 的高倍率 SEM 图像。(e) C/SA/T-Cu/SLS/PEG 的 FTIR 能谱图。(f) C/SA/T-Cu/SiO₂/C₂₂ 的 FTIR 能谱图。(g) C/SA/T-Cu/SiO₂/C₂₂ 的 XRD 能谱图。

图 3. (a) SE 的光吸收效率。(b) SE 在不同照射高度下的结构示意图。(c) 不同照射高度下 SE 在 1 个太阳辐射强度下的蒸发速率。(d) SE 通过其侧表面接收环境能量的示意图。(e) SE 在不同照射时长下、在 1 个太阳辐射强度下的热成像图。(f) SE 的表面温度。(g) 在 1 或 2 个太阳辐射强度下的蒸发失水量。(h) 蒸发速率与蒸发效率同文献数据的对比。

图4. (a) C/SA/T-Cu/SLS/PEG与PEG的DSC热分析图。(b) C/SA/T-Cu/SiO₂/C₂₂与C₂₂的DSC热分析图。(c) C/SA/T-Cu/SLS/PEG与PEG在等温加热过程中的数码照片。(d) C/SA/T-Cu/SiO₂/C₂₂与C₂₂在等温加热过程中的数码照片。(e) 光照期间及停止光照后SE的温度分布。(f) Tsim与Texp随时间的变化关系。(g) 光照期间及停止光照后SE的水饱和度分布。(h) 液相水体积分数随时间的变化曲线。

图 5. (a) CF、SA、SLS、PEG 与水分子间的氢键相互作用。(b) 引入 PEG 后与水分子间氢键作用的变化。(c) C/SA/T-Cu/SLS/PEG 体系中水分子的拉曼位移拟合曲线。(d) C/SA/T-Cu/SLS/PEG 的 DSC 曲线。(e) C/SA/T-Cu/SLS/PEG 的盐循环性能。(f) SE 在不同浓度盐水中蒸发性能。(g) 模拟海水中金属离子浓度在纯化前后的对比。(h) RB 与 MB 溶液在纯化前后的紫外-可见光谱。(i) SE 的循环蒸发测试。(j) SE 在循环蒸发测试前后的实物照片。

图 7. (a) SE 发电机制示意图。(b) 蒸发过程中 SE 通道内电荷分布的演变过程。(c) 蒸发期间 SE 的电压与 (d) 电流。(e) 光照与黑暗条件下 SE 的电压。(f) 四个 SE 单元串联的示意图。(g) 串联 SE 的输出电压。(h) 串联 SE 为小型风扇供电的照片。(i) SE 的发电稳定性。(j) SE 的蒸发性能与输出电压与文献报道值进行的对比分析。

在本工作中，我们开发了一种受莲花启发的双功能相变棉纤维基蒸发器（SE），将亲疏水异质结构与相变材料（PCMs）相结合，通过潜热储存与释放实现电能和淡水的增强联产，并改善运行连续性，从而有效 bridging 间歇性太阳辐照。该 SE 表现出稳定的自漂浮、潜热释放和离子梯度产电性能。其外部疏水“花瓣”层由 C/SA/T-Cu/SiO₂/C22 组成，确保 SE 在水面上的自漂浮和自扶正能力。中间层采用“莲蓬”结构，其中超亲水 C/SA/T-Cu/SLS/PEG 外壳协同调控蒸发界面处的水传输和热定位。在 1 个太阳光照下、3.5 wt% NaCl 溶液中，该 SE 实现了 5.23 kg m⁻² h⁻¹ 的蒸发速率和 98.43% 的能量转换效率。COMSOL 模拟证实，花瓣与莲蓬层之间的温度差驱动热量向蒸发界面定向传递，从而提高能量利用率。在蒸发过程中，该 SE 产生了约 304.83 mV 的峰值输出电压和 24.95 μA 的峰值电流。此外，它在阳光下储存大量光热能量，并在黑暗环境中释放，有效提升电压输出和淡水产量。这种仿生设计克服了传统单一用途蒸发器的局限，为同时实现高效淡水生产和低品位能量收集提供了一条有前景的途径。未来工作将系统研究更大规模的蒸发器阵列，采用混合串并联连接和详细的负载匹配输出曲线，以评估其实际供电能力并优化能量收集效率。

Xinyi Chen, Sijie Zhuang, Lei Dai, Chen Zhang, Zhu Long,Lotus-inspired 3D biomass evaporator featuring wettability heterogeneity and phase-change synergy for continuous water-electricity cogeneration,Journal of Energy Chemistry, 123,2026, 614-625, 2095-4956,https://doi.org/10.1016/j.jechem.2026.08.075.

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资料整理：雷幸悦（阳光净水）

编辑：环境与能源功能材料

雷幸悦（阳光净水课题组）

【资料整理】雷幸悦：资源与环境硕士研究生。

阳光净水课题组：主要研究方向为壳聚糖基环境功能材料、太阳能蒸发材料、磁性吸附材料、污染物吸附和环境催化反应机理。课题组主页：

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

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。

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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62次（Web of Science），国际引用占比73%，2025年5月起入选ESI高被引论文。

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2024年 12 月 24 日，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了 阳光净水课题组 题为 “ Intriguing and boosting molybdenum sulfide (MoS2)-based materials for decontamination and purification of wastewater/seawater: An upgraded review” 综述论文。本综述全面总结了近6年（2018-）MoS2基材料（MoS2bMats）提高废水处理和水净化的有效改性策略，并重点阐述了MoS2bMats在环境污染物吸附、光催化降解和还原、Fenton高级氧化、PMS/PS活化氧化、废水脱盐（膜过滤和太阳能蒸发脱盐）等方面的应用。最后，讨论并提出了 MoS 2 bMats 理论研究与应用之间存在差距、工程挑战、未来的研究方向和机遇。 该论文自 2024 年 12 月线上发表以来，现已被引用37 次（ Web of Science ）。

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2024 年 1 月，国际期刊《 International Journal of Biological Macromolecules 》期刊发表了阳光净水课题组题为 “A review on chitosan/metal oxide nanocomposites for applications in environmental remediation“ 的综述性论文。更清洁、更安全的环境是未来最重要的要求之一。与传统材料相比，壳聚糖具有丰富的生物相容性、生物降解性、成膜能力和亲水性，是一种更环保的功能材料。由于壳聚糖分子链上丰富的 -NH2 和 -OH 基团可以有效地与各种金属离子螯合，壳聚糖基材料作为金属氧化物纳米材料（ TiO2 、 ZnO 、 SnO2 、 Fe3O4 等）的多功能支撑基质具有巨大的潜力。近年来，许多壳聚糖 / 金属氧化物纳米材料（ CS/MONM ）作为吸附剂、光催化剂、非均相类芬顿试剂和传感器，在环境修复和监测中具有潜在和实际的应用。本综述全面分析和总结了CS/MONMs复合材料的最新进展，这将为CS/MONMs复合材料的制备和废水处理应用提供丰富而有意义的信息，并有助于研究人员更好地了解CS/MONMs复合材料在环境修复与监测中的潜力。该论文自 2024 年 1 月线上发表以来，现已被引用79 次（ Web of Science ），国际引用占比65.0%。

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2024 年 2 月，国际期刊《 Separation and Purification Technology 》发表了阳光净水课题组题为 “ A review on the progress of magnetic chitosan-based materials in water purification and solid-phase extraction of contaminants” 的综述性论文。污染物检测和水净化对于实现环境保护和资源利用非常重要。构建新型功能材料去除各种污染物也变得越来越重要和紧迫。本综述总结了磁性壳聚糖（M-CSbMs）的3种可靠制备策略（原位策略、两步策略和沉积后策略），并详细介绍了M-CSbMs在有效吸附/光催化去除污染物（如重金属离子、有机染料、抗生素和其他污染物）和磁性固相萃取超低浓度污染物等方面的研究进展。最后，提出了 M-CSbMs 目前面临的挑战和前景，以期促进其在水净化和固相萃取污染物方面的实际应用。该论文自 2024 年 2 月发表以来，现已被引用 51 次（ Web of Science ）。

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