蒸发材料丨云南大学万艳芬/中科院过程所杨乃亮ChemComm综述丨纤维素基太阳能蒸发研究进展

2026年6月11日，英国皇家化学会（Royal Society of Chemistry，RSC）旗下期刊《Chemical Communications》（简称ChemComm）发表了题为“Recent advances in cellulose-based solar interfacial evaporators enabled by hydrogen-bond network regulation”的综述论文。该论文由云南大学材料与能源学院、中国科学院过程工程研究所等单位合作完成，围绕纤维素–水氢键网络调控这一研究主线，系统梳理了近年来纤维素基太阳能界面蒸发技术的相关进展。针对太阳能界面蒸发研究中界面水状态复杂、表观蒸发焓变化机制尚存争议，以及分子尺度界面水调控与宏观蒸发器设计之间的联系仍需进一步梳理等问题，该综述从纤维素表面羟基与水分子的相互作用出发，重点讨论了结合水、中间水和自由水的形成及动态变化，分析了氢键网络重构、纳米限域输运与蒸发行为之间的关系，并结合界面动力学和系统能量平衡，对表观低焓蒸发现象进行了梳理。在此基础上，进一步总结了纤维素基蒸发器的结构与功能设计策略，为理解界面水调控与宏观蒸发性能之间的联系提供了参考。

第一作者：钟首仙

通讯作者：杨乃亮，万艳芬，杨鹏

通讯单位：云南大学、中国科学院过程工程研究所

论文链接：https://doi.org/10.1039/D6CC02575G

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太阳能界面蒸发技术通过将太阳能集中转化为气液界面附近的热能，为低能耗海水淡化和水资源净化提供了可持续的技术途径。纤维素凭借丰富的羟基官能团、天然多孔结构及良好的可加工性，不仅能够为蒸发器提供连续供水通道，还可以通过氢键作用影响界面水分子的局部排列、运动性及水合环境。本综述围绕纤维素–水氢键网络调控，系统总结了界面水状态的分类与表征、氢键网络重构及纳米限域水输运等研究进展，并从界面动力学和系统能量平衡角度讨论了表观蒸发焓变化的可能来源。在此基础上，进一步归纳了纤维素基太阳能蒸发器在分级孔结构、复合网络、光热集成和自适应运行等方面的设计策略，探讨了实际运行条件下的热质传递、盐分管理及淡水收集等问题，为纤维素基太阳能蒸发材料的设计与应用提供了参考。

随着全球淡水资源需求不断增加，开发低成本、低能耗且能够持续运行的水处理技术已成为能源与环境领域的重要研究方向。太阳能界面蒸发技术利用光热材料在气液界面实现局部加热，减少传统整体加热方式造成的热量损失，在海水淡化、废水处理和分布式淡水获取等方面受到广泛关注。近年来，研究人员通过改善光热材料的吸收性能、优化孔道结构和调节热量传递路径，不断提高蒸发器的性能。

然而，蒸发过程并非简单的光吸收与水分汽化。对于纤维素、水凝胶等亲水多孔材料而言，水分子进入材料内部后，会受到表面官能团及局部孔道环境的影响，其氢键结构、分子运动性和相变行为可能与普通体相水存在差异。近年来，部分研究将较高的蒸发通量与中间水比例增加、氢键网络变化及表观蒸发焓降低等现象联系起来，但不同研究对于界面水状态的划分依据并不完全一致，相关变化与实际蒸发性能之间的关系仍需进一步分析。

纤维素作为一种来源广泛、价格低廉且可再生的天然高分子材料，具有丰富的羟基官能团和多尺度孔结构。一方面，其表面羟基能够与水分子形成氢键，影响局部水合层及水分子运动行为；另一方面，天然纤维网络及可重构孔道能够为水分运输和蒸汽释放提供通道。因此，纤维素不仅可以作为太阳能蒸发器的支撑与输水材料，也为研究界面水状态及其与蒸发行为之间的关系提供了具有代表性的材料体系。

基于上述背景，该综述将纤维素–水氢键网络调控与界面蒸发过程相联系，重点讨论界面水状态、纳米限域输运和表观蒸发焓等问题，并进一步延伸至宏观器件的结构与功能设计。

1、系统梳理纤维素–水氢键网络与界面水状态之间的关系。从纤维素表面羟基与水分子的相互作用出发，结合多种实验表征与分子模拟研究，分析结合水、中间水和自由水的特征，以及氢键竞争、水合层形成和分子动态交换对界面蒸发行为的影响。

2、从热力学与界面动力学角度讨论表观蒸发焓变化的可能机制。综合分析氢键网络重构、纳米限域水输运、薄液膜蒸发、环境热交换及空气侧传质等因素的作用，强调表观蒸发焓与水的本征汽化焓之间的区别。

3、总结纤维素基太阳能蒸发器的结构与功能设计策略。从天然纤维原料、分级孔道、各向异性输运、复合网络、光热集成及自适应水盐管理等方面，讨论不同材料结构对水分供给、热量传递、蒸汽释放和运行稳定性的影响。

4、关注真实环境下的蒸发性能与实际淡水产出。结合户外运行及淡水收集研究，分析环境温度、湿度、气流和冷凝过程对蒸发器性能的影响，并对纤维素基蒸发器的长期稳定性及工程化应用进行了展望。

本文围绕纤维素–水氢键网络调控，系统梳理了纤维素基太阳能界面蒸发器从分子尺度水调控到宏观器件设计的研究进展。如图1所示，文章以纤维素表面羟基与水分子之间的氢键相互作用为切入点，讨论了界面水状态、氢键网络重构及纳米限域水输运与蒸发行为之间的联系，并结合界面动力学和系统能量平衡，对表观蒸发焓变化的可能机制进行了分析。在此基础上，进一步总结了分级孔结构、复合网络、光热集成及自适应运行等设计策略，将界面水调控与蒸发器的水分供给、热量传递和蒸汽释放过程相联系，为纤维素基太阳能蒸发器的设计与应用提供了参考。

图1论文图形摘要：纤维素–水氢键网络调控与太阳能界面蒸发器结构设计的整体研究框架

纤维素基太阳能界面蒸发器不仅依靠多孔结构实现水分输运，其表面丰富的羟基还能够与水分子形成氢键，影响界面水的组织状态和运动行为。如图2所示，当水进入纤维素纤维间隙或微纳孔道时，纤维素–水氢键与水–水氢键之间发生竞争，使局部水分子的排列方式和运动能力产生差异。根据水分子受到的约束程度，界面水通常可以分为结合水（BW）、中间水（IW）和自由水（FW）。其中，结合水与纤维素表面相互作用较强，自由水的性质更接近普通体相水，而中间水在受到界面约束的同时仍具有一定的运动能力。文章进一步总结了差示扫描量热（DSC）、拉曼光谱、红外光谱及核磁共振（NMR）等表征方法，指出不同水状态的划分需要结合冻结行为、氢键环境和分子运动性等多方面证据，不能仅凭单一测试结果判断中间水的含量及其对蒸发性能的贡献。

图2纤维素基太阳能蒸发器中结合水、中间水和自由水的分布及纤维素–水氢键相互作用示意图

近年来，部分太阳能界面蒸发器表现出较高的蒸发通量，关于表观蒸发焓降低的讨论也逐渐增多。针对这一问题，文章从界面水状态、局部蒸发动力学和系统能量平衡等角度，对表观低焓蒸发的可能机制进行了分析。如图3所示，蒸发器的实际性能不仅受到氢键网络重构和纳米限域水输运的影响，还与薄液膜蒸发、环境热交换及外部运行条件密切相关。在开放式蒸发体系中，蒸发引起的局部冷却可能使周围环境持续向器件提供热量，而微纳孔道中的弯月面和薄液膜也会改变局部传热路径及蒸发界面形态。因此，实验中观察到的表观能量消耗下降，并不能直接证明水的本征汽化焓降低。文章强调，研究表观蒸发焓变化时，需要综合考虑界面水分子行为、系统热量输入及水汽传输过程，避免仅根据暗蒸发速率或中间水比例变化判断蒸发机制。此外，论文还讨论了光分子效应等可能存在的非热光–水相互作用，但指出其在纤维素基蒸发器中的直接证据仍有待进一步完善。

图3表观蒸发焓的概念框架，主要包括系统能量边界、界面蒸发结构、光–水耦合及外部运行因素

基于对界面水状态和表观蒸发行为的认识，文章进一步总结了纤维素基太阳能蒸发器的结构与功能设计策略。如图4所示，不同来源的纤维素材料具有不同的纤维排列方式和孔道特征，其中木材、竹材等天然材料能够利用原有导管实现水分运输，而纳米纤维素及再生纤维素则可以通过定向冷冻、交联和多孔结构重构形成分级输水网络。宏观通道能够降低水分运输阻力，微纳孔隙有助于调节局部水合环境及液膜分布，取向孔道和梯度结构则可以进一步改善供水与蒸汽释放之间的配合。与此同时，通过引入聚合物复合网络和交联结构，可以改善纤维素材料的湿态稳定性；采用原位光热涂层及界面桥接等方式，则有助于增强光热组分与纤维素骨架之间的结合，同时保持输水通道的连通性。针对高盐度及光照变化等实际运行条件，近年来的研究还引入了动态润湿性调节、仿生输水和自适应盐管理等策略，使蒸发器的设计逐步从单一光热性能优化转向水分输运、界面加热、结构稳定性及盐分管理的综合调控。

图4纤维素基太阳能蒸发器的结构与功能设计框架，包括纤维素原料及预处理、分级孔结构与各向异性输运、复合网络稳定化、光热功能集成及自适应运行策略

尽管纤维素基太阳能蒸发器在材料设计和蒸发性能方面取得了较多进展，但从实验室研究走向实际淡水生产仍面临一些问题。文章指出，开放体系下通过质量损失计算得到的蒸发速率并不等同于实际淡水收集量，环境温度、相对湿度及气流会影响蒸发过程中的热质交换，而蒸汽输运路径、冷凝面积及集水结构也会影响最终产水量。如图5所示，未来研究需要进一步关注界面水作用机制、器件长期稳定性及工程化应用三个方面。一方面，应结合多种实验表征与分子模拟，明确氢键网络重构、水分子运动行为与实际蒸发过程之间的联系；另一方面，还需要解决复杂盐水条件下的盐分积累、孔道堵塞及材料结构变化等问题，并加强冷凝收集、长期户外运行和模块化器件设计，使纤维素基太阳能蒸发技术逐步从实验室高通量研究向稳定、可持续的淡水获取应用发展。

图5纤维素基太阳能界面蒸发技术的研究展望，主要包括界面水作用机制、蒸发器耐久性及工程化应用三个方向

本综述围绕纤维素水氢键网络调控，系统梳理了界面水状态、纳米限域输运、表观蒸发焓及太阳能蒸发器结构设计之间的联系。已有研究表明，纤维素不仅能够利用天然纤维网络和可调控孔道实现连续供水，其表面丰富的羟基还能够参与界面水合层的形成及氢键网络重构，影响局部水分子的分布和运动行为。与此同时，蒸发器的光热转换、毛细供水、蒸汽释放和环境热交换共同影响最终蒸发性能，因此需要将界面水调控与器件整体热质传递相结合进行研究。

对于近年来受到关注的表观低焓蒸发现象，文章强调应区分表观蒸发焓与水的本征汽化焓，避免仅凭高蒸发速率或某一种水状态的变化作出简单解释。未来仍需结合多种实验表征、分子模拟及系统能量分析，进一步明确氢键网络重构与界面蒸发行为之间的关系，并加强复杂水质条件下的材料稳定性、动态水盐调控及实际淡水收集研究，为低成本、稳定运行的纤维素基太阳能蒸发器开发提供依据。

Shouxian Zhong, Qianqian Chen, Nailiang Yang, Yanfen Wan, Peng Yang. Recent advances in cellulose-based solar interfacial evaporators enabled by hydrogen-bond network regulation. Chemical Communications, 2026, 62, 13018–13036

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撰稿：钟首仙

编辑：环境与能源功能材料 （阳光净水）

审核：杨鹏

钟首仙（第一作者），云南大学材料与能源学院2025级博士研究生，2025年毕业于昆明理工大学，获资源与环境专业硕士学位。主要从事太阳能界面蒸发与光热水处理技术研究，研究方向包括植物纤维基功能材料的制备与结构调控、界面水输运及太阳能驱动水净化等。博士期间，以第一作者在国际期刊《Chemical Communications》发表综述论文“Recent advances in cellulose-based solar interfacial evaporators enabled by hydrogen-bond network regulation”，围绕纤维素–水氢键网络调控，系统总结了界面水状态、表观蒸发焓及纤维素基太阳能蒸发器的研究进展。此外，主持云南大学第十七届研究生科研创新项目1项，参与国家自然科学基金项目1项。

杨乃亮（通讯作者），中国科学院过程工程研究所研究员，博士生导师。2007年于中山大学取得理学学士学位，2013年于中国科学院大学过程工程研究所获得博士学位。随后先后赴法国皮埃尔-玛丽居里大学（合作导师：Marie-Paule Pileni教授）和新加坡南洋理工大学（合作导师：张华教授）开展博士后研究，并于2018年引进回到过程工程研究所生化工程国家重点实验室开展工作。研究主要围绕纳米材料的合成与组装展开，通过复合、修饰及掺杂等手段调节材料的表面电子态，利用材料间的协同作用拓展材料在能源、催化及生物领域的应用。迄今为止，已发表SCI论文60余篇，其中包括Nat. Chem.，Nat. Rev. Chem., Nat. Commun., Natl. Sci. Rev., Chem, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Adv. Mater., ACS Nano, Adv. Funct. Mater.等。论文总计他引5000余次，单篇最高他引次数达800余次，并且10篇文章入选ESI前1%“高被引论文”，并独立撰写一本英文学术专著（Springer出版社），并于2014年获得中科院优秀博士论文奖，目前担任中国化学会青年委员会委员，《高等学校化学学报》青年执行编委。

万艳芬（通讯作者），博士，教授，博士生导师，宝钢优秀教师、省级教学名师。2013年获法国居里夫人大学博士学位，师从欧洲科学院院士Marie-Paule Pileni教授，2016年作为引进人才入职云南大学，2017年入选省级青年人才计划。现任国际能源期刊Energy & Environmental Materials副主编。主要研究方向包括界面太阳能光热转化与水处理、光热电集成能源器件，以及纳米发电机、柔性传感器、3D打印柔性电子等。所建课程《揭秘身边的纳米世界》入选教育部“国家智慧教育平台国际版课程资源”，并获省级一流课程等认定；获第六届全国高校教师教学创新大赛国家级二等奖、云南省高校课程思政教学比赛一等奖。团队在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Energy等期刊发表系列成果，其中Au@Bi₂MoO₆-CDs复合光热体系实现了97.1%的光热转换效率。指导学生参加各类学科竞赛，获国家级奖项40余项。

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