界面蒸发丨南京大学朱嘉团队Nature Water论文丨基于经实验验证的气候-性能模型量化太阳能驱动界面蒸发的全球潜力

2026年10月7日，国际期刊《Nature Water》在线发表了南京大学朱嘉团队题为“Quantifying the global potential of solar-driven interfacial evaporation using a validated climate–performance model”的研究性论文。该论文构建经实验验证的气候- 性能模型，并结合高分辨率气候、水文与社会经济数据集，量化全球范围内太阳能驱动界面蒸发技术的应用潜力。研究开发了开源且可扩展的地理空间工具包 SDIE-Geo，以小时分辨率绘制太阳能驱动界面蒸发性能分布图，结合当地资源条件、用水需求与社会经济背景，评估该技术的落地潜力。《Nature Water》是Springer Nature旗下于2023年1月推出的在线月刊，专注于发表水资源与人类社会关系演变相关的高水平跨学科研究。期刊最新影响因子为30.7，在JCR水资源学科排名第1位（1/132），环境科学排名第3位（3/395），入选新锐分区环境科学与生态学1区TOP期刊。

论文链接：https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

太阳能驱动界面蒸发（SDIE）为水、粮食、灭菌和采矿提供了可持续路径，推动可持续发展目标。然而，评估其实际潜力仍具挑战性，因为SDIE性能、资源可用性和需求均随空间和时间变化。在此，我们开发了经实验验证的气候-性能模型，并将其与高分辨率气候、水文和社会经济数据集整合，以量化全球SDIE潜力。具体而言，我们开发了一个开源、可扩展的地理空间工具集SDIE-Geo，以小时分辨率绘制SDIE性能图，并将其与当地资源可用性、需求和社会经济背景相匹配，以揭示部署潜力。基于SDIE的关键应用可推动可持续发展目标，包括尼日尔全年灭菌、以0.7 m²装置为10亿人每日提供2升饮用水，以及将锂卤水浓缩加速高达135倍。这些发现为SDIE部署和设计提供了定量指导，并建立了一个在全球尺度评估气候敏感型技术的通用框架。

太阳能驱动界面蒸发（SDIE）为水处理、食品生产、灭菌和矿物提取提供了可持续技术路径，助力实现联合国可持续发展目标。然而，太阳能驱动界面蒸发性能、资源禀赋与应用需求均存在时空差异，评估其实际应用潜力仍存在较大困难

图1 | 量化SDIE在SDGs相关应用中全球潜力的工作流程。该工作流程包含三个主要部分。第一，开展现场测试以建立气候-性能模型，将气象条件与SDIE产出相关联。第二，SDIE-Geo——一个开源地理空间工具集——将该模型应用于高分辨率全球气候数据集，以高时空分辨率绘制SDIE性能图。第三，综合匹配分析将SDIE性能图与当地资源可用性、需求及社会经济指标相匹配，以量化SDIE对SDGs相关应用（如水净化、灭菌、废水处理和资源提取）的潜在贡献。底图数据来自Natural Earth（ https://www.naturalearthdata.com ）。

图2 | SDIE的建模框架与实验验证。a，SDIE的物理原理。尽管装置构型各异，SDIE的运行机制相同：局域光热加热使界面蒸汽浓度C_evap高于环境C_amb，产生浓度梯度驱动蒸发。基于该机制，模型可准确预测不同气象条件下的SDIE性能。b–d，受控实验室验证。温控蒸发平台采用由金层和多孔AAO基底组成的TFC蒸发器。金膜可实现电阻加热以精确控温，AAO提供明确的蒸发结构，二者共同支持模型的准确验证（左）。复合蒸发器的横截面扫描电镜图像。比例尺，400 nm（右）（b）。两种TFC蒸发器（平均孔径分别为246 nm（c）和71.7 nm（d））的实测蒸发通量随蒸汽浓度梯度C_evap – C_amb的变化（详见补充图3和补充表2）。模型预测（虚线）与实验数据（符号）吻合，证实了理论框架。e，中国南京的现场验证（2024年9月6日至24日）。

图3 | 真实天气条件下SDIE的全球性能。a，被动式SDIE的年平均蒸发速率（2015–2024年）。高蒸发速率出现在非洲北部和南部、阿拉伯半岛、澳大利亚内陆和西部、美国西南部、墨西哥北部及南美洲东部。b，代表性区域（包括加利福尼亚、北方邦和锂三角）的日平均SDIE速率。实线代表平均值，阴影表示年际变率的标准差（2015–2024年）。c，全球各站点年SDIE速率与年平均气象变量的相关性。为清晰起见，采用基于密度的降采样算法保留2%的数据点，以维持整体模式。d，1995年至2024年全球年平均SDIE产出；平均而言，气温每升高1 °C，产出增加约7%。e，2005–2014年与2015–2024年间被动式SDIE产出的十年变化。红色表示增加，蓝色表示减少。f，被动式SDIE增强因子（SDIE与自然蒸发的比值）。增强超过500%的区域包括热带、青藏高原和南美洲西部。a、e和f中的底图数据来自Natural Earth（https://www.naturalearthdata.com）

图4 | 真实地表水约束下SDIE的全球饮用水供应潜力。a，SDIE驱动饮用水生产潜力的全球分布图。产水量按SDIE蒸发量乘以70%冷凝效率估算，且仅限于JRC全球地表水数据集识别出地表水的位置。b，整合气象、技术和社会经济指标的国家/地区级评估。低收入、基础设施受限和水资源短缺的国家，如冈比亚、佛得角、塞内加尔和苏丹，成为SDIE部署的优先候选地区。c，因经济或基础设施限制而缺乏安全管理的饮用水（SMDW）的人口随SDIE装置面积的变化，针对人均每日2升和5升的阈值。当当地年SDIE淡水产量超过年需求时，即认为水资源短缺得到缓解。a中的底图数据来自Natural Earth（https://www.naturalearthdata.com）。

图5 | SDIE在资源回收和公共卫生领域的全球应用。a，全球四大锂卤水盐湖中主动式SDIE相对于传统盐田的日均提升倍数。实线代表平均值，阴影表示年际变率的标准差（2015–2024年）。b，SDIE用于分散式废水处理。各国/地区按日均SDIE蒸发量相对于人均未处理废水量绘制。主要候选国家包括埃及、乍得、苏丹、科威特和布基纳法索。c，15个高死亡率国家的SDIE灭菌潜力。左侧条形图显示死亡率（每10万人口）；右侧条形图显示年灭菌天数，定义为一年中太阳条件允许有效病原体灭活的天数。数据以3年（n = 3）的平均值±标准差表示，并展示个体数据点。a中的底图数据来自Natural Earth（https://www.naturalearthdata.com）。

通过将经实验验证的气候-性能模型与高分辨率气候、水文和社会经济数据集相结合，我们量化了SDIE关键应用的全球潜力及其对联合国可持续发展目标（SDGs）的贡献。对于SDG 3——良好健康与福祉——SDIE提供了分布式太阳能灭菌方案，尼日尔可实现全年有效灭菌。对于SDG 6——清洁饮水和卫生设施——SDIE可服务于冈比亚、佛得角、塞内加尔和苏丹等缺水国家的数百万人口；在每日2升的用水阈值下，0.15 m²的装置可满足一半需求，0.7 m²可覆盖90%。对于SDG 7——经济适用的清洁能源——SDIE将卤水蒸发加速高达135倍，释放低品位锂资源。

除SDIE之外，本研究还凸显了利用真实环境和社会经济数据评估气候敏感型技术全球潜力的价值与必要性。本文提出的开源SDIE-Geo工具集为指导全球部署和推动新兴太阳能驱动技术的发展提供了一个通用平台。

Song, Y., Shi, P., Du, Y. et al. Quantifying the global potential of solar-driven interfacial evaporation using a validated climate–performance model. Nat Water (2026). https://doi.org/10.1038/s44221-026-00728-4

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整理：阳光净水

编辑：环境与能源功能材料

阳光净水课题组主要长期致力于生物质（壳聚糖、纤维素等）可再生资源在水污染控制、太阳能界面蒸发及环境催化等领域的基础与应用研究。

课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/zhuhuayue

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