蒸发材料丨德克萨斯大学奥斯汀分校/东北林业大学Sci. Adv.研究论文丨可持续太阳能水净化：探究高等植物的结构优势

2026年10月，国际学术期刊《Science Advances》发表了题为“Sustainable Solar Water Purification: Exploring the Structural Advantages of Higher Plants（可持续太阳能水净化：探究高等植物的结构优势）”的研究论文。该研究针对偏远和欠发达地区清洁饮用水短缺、传统太阳能蒸发器依赖石油基聚合物和昂贵前驱体、制造工艺复杂且碳足迹显著等问题，受高等植物长期进化形成的精细层级结构启发，提出了“多植物组分协同”的设计原则，将不同植物衍生材料在多个尺度上耦合集成，开发出一种高等植物衍生太阳能蒸发器（CWSN-E）。该蒸发器由光热转换单元（炭黑涂覆的穿孔超薄木片）与水传输单元（纳米纤维素气凝胶填充于垂直排列麦秸秆的复合结构）相结合，实现了低曲折度水传输和高效界面蒸发。在1个太阳光照下，蒸发速率达到3.2 kg m⁻² h⁻¹；户外0.5–0.9个太阳强度下，装置日产淡水量最高达10.9 kg m⁻²。与传统蒸发器相比，该结构兼顾蒸发性能、水输运效率、热管理和操作便利性，并在环境可持续性、可扩展制备、重复利用及成本效益等方面展现出优势，为经济高效的太阳能水净化技术提供了新思路。《Science Advances》是AAAS旗下综合性科学期刊，主要发表自然科学各领域的高水平研究成果。

第一作者：韩雪、雷楚昕、苗明月

通讯作者：余桂华、陈文帅

通讯单位：德克萨斯大学奥斯汀分校、东北林业大学

论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adu5287

太阳能蒸汽生成是一种有前景的水净化技术，然而开发高效且可持续的实用系统仍具挑战性。在此，我们提出一种高等植物衍生蒸发器，充分利用植物的结构优势及多组分的协同集成，包括带穿孔的炭黑涂层超薄木片、纳米纤维素气凝胶和垂直排列的麦秆。该构型在内部框架中实现低迂曲度水传输，同时促进表面的界面蒸发。在1个太阳下，蒸发器的蒸发速率高达3.2 kg m⁻² h⁻¹。该材料的可扩展性以及在户外环境中持续收集清洁水的能力已得到成功验证。在户外0.5至0.9个太阳的太阳强度下，组装装置从海水中实现了高达10.9 kg m⁻²的日产淡水量。凭借高度可得的可再生原料、低生产成本和优异的水净化效率，这种经济高效的太阳能蒸发器正逐步接近可行的实际应用。

在地球许多地区，尤其是全球南方偏远和贫困地区，清洁饮用水短缺是一个持续存在的问题，尽管水覆盖了地球表面约71%的面积。这一挑战凸显了联合国可持续发展目标6的重要性，该目标旨在确保人人享有安全、可持续的水和卫生服务。从公共卫生角度看，长期摄入被盐分、沉积物、颗粒物、病原体或重金属污染的水会带来一系列不可持续且有害的健康风险。在各种淡水生产技术中，太阳能蒸汽生成（SVG）脱颖而出，成为一种有前景的解决方案，其利用太阳能-热能转换从各种水源中提取清洁水。提高蒸发速率需要精心设计的蒸发器，其应具备稳健的光吸收元件、流畅的内部水传输通道以及先进的热管理系统。

SVG的最新进展利用了各种太阳能吸收器和分级结构材料来提高效率。尽管取得了实质性进展，但开发环境友好、经济可行且在实际户外应用中异常高效的太阳能蒸发器，特别是在低太阳强度条件下，仍是一项持续而关键的挑战。可扩展性和可负担性的要求放大了这一任务的复杂性，而这对于将该技术的益处扩展到欠发达地区至关重要。传统蒸发器主要由石油衍生聚合物、碳基材料、金属物质和半导体制成，往往存在制造工艺复杂、依赖昂贵前驱体、潜在有毒副产物排放以及显著碳足迹等一系列问题。

为追求可持续解决方案，从对环境负责的来源获取构建单元是有益的。随着地球上的长期演化，高等植物形成了极其先进的分级结构，因而成为仿生科学领域的明星模仿对象。植物具有亲水性组分，可通过蒸腾作用传输和蒸发水分。尽管植物基蒸发器已被广泛研究多年，但大多数报道的系统通常将光吸收器与木材、作物秸秆、纸张或纤维素气凝胶集成，其中植物衍生材料主要充当亲水性基底。然而，植物衍生构建单元的天然优势尚未得到充分探索。

本工作最核心的器件设计逻辑如图1所示，整个WHED由Water Harvester（水收集器）和Interfacial Solar Water Evaporator（界面太阳能水蒸发器）组成。在夜间，吸湿气凝胶毡从空气中捕获水蒸气，吸收后的水分通过器件壁面的沟槽结构向底部汇集；进入白天后，储存的水经输水结构输送至光热蒸发层，在太阳辐照下完成界面蒸发和净化，由此形成夜间收水—白天净水的循环运行模式。

图1. 植物材料衍生蒸发器组装示意图，用于低曲折度太阳能水净化。该蒸发器由两个主要部分组成：光热转换单元，为涂覆炭黑（CB）颗粒的穿孔木片；水传输单元，由木材纳米纤维素气凝胶与直立、紧密排列的麦秸秆集成而成。该图使用Adobe Photoshop创建，并在Blender中渲染。

图2. CWSN-E的制备与结构。（A）CWSN-E制备过程示意图：（a）切片，（b）浸泡，（c）自然干燥，（d）切割，（e）有序堆叠，（f）浇注与冷冻干燥，（g）组装。超薄木片横截面（B）和纵截面（C）的光学显微镜图像。炭黑涂层木片的数码照片（D）和扫描电子显微镜（SEM）图像（E）。麦秸秆（F）及其外壁（G）的SEM图像。SN-E表面的数码照片（H）。SN-E内纳米纤维素气凝胶的SEM图像（I）。CWSN-E的数码照片（J）。CWSN-E自底部（K）和顶部（L）视角的3D X射线显微成像。

图3. 性能对比。（A）各种材料的紫外-可见-近红外光谱，其中归一化光谱太阳辐照度密度（AM 1.5G倾斜太阳光谱）以紫色填充线表示。（B）展示水滴穿透炭黑涂层木片的数码照片。水在不同材料中沿垂直（C）和横向（D）方向的传输速率。展示不同材料在垂直（E）和横向（F）方向于1 s和70 s时水传输的数码照片。有限元分析分别比较水在定向排列（G）和无序随机（H）通道中的传输。

图4. 1个太阳下的太阳能蒸汽生成（SVG）。（A）太阳能蒸发实验示意图。各种蒸发系统在环境条件下的蒸发速率（B）和质量变化（C）。海水和污染河水在有无CWSN-E条件下的蒸发速率（D）和质量变化（E）。（F）CWSN-E漂浮于水面时表面温度随照射时间变化的热成像图。（A）使用Adobe Photoshop创建并在Blender中渲染。h，小时。

图5. 户外蒸发与综合性能分析。（A）使用含CWSN-E的蒸发装置在连续75天内不同时段从海水中收集水的情况。绿色背景表示每日向装置中添加海水以确保系统内海水供应充足；黄色背景表示停止添加海水直至水分完全蒸发；橙色区域表示恢复海水供应。（B）从海水中收集的淡水的数码照片，图中红色虚线表示水位。（C）海水及所收集淡水中金属离子的浓度。（D）平均海水盐度及经CWSN-E脱盐处理前后所用海水的盐度，绿色和紫色线分别为世界卫生组织（WHO）和美国环境保护署（EPA）对饮用水盐度的上限要求。（E）经CWSN-E净化的污染河水的淡水水质评估，括号内数字为《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）各指标限值，插图为污染河水（左）和所收集水（右）的数码照片。（F）九片CWSN-E的数码照片。（G）包含多片CWSN-E的大型太阳能蒸发系统用于户外污染河水净化的数码照片。（H）基于五项指标评估的各种蒸发器对比。（I）CWSN-E与其他类型太阳能蒸发器在蒸发速率和成本方面的性价比对比。其中，生物质基蒸发器主要包括纤维素基和木质素基蒸发器，图中数值代表不同蒸发器的性能/成本比，所有蒸发器的数据信息详列于表S3。h，小时；L，升。

在光热转换单元中，厚度为120 μm的炭黑涂层超薄木片不仅能吸收光并将其转化为热，还能通过其内部排列整齐、贯穿的细胞腔实现快速水分蒸发。在水传输单元中，多孔纳米纤维素气凝胶通过毛细作用将水输送至蒸发界面，而垂直紧密排列的麦秸秆则进一步通过纳米纤维素网络引导并增强水的向上传输。此外，纳米纤维素气凝胶具有隔热性能，有助于将热量限制在蒸发界面附近。再者，亲水网络与限域结构的协同效应促进了更高效的水汽化。因此，多植物组分协同实现了光吸收、热局域化和水传输管理的协调统一，在1个太阳光照下共同实现了3.2 kg m⁻² h⁻¹的高蒸发速率。此外，该植物蒸发器具有低碳足迹、成本效益高和原料广泛可得的特征，使其成为偏远和欠发达地区清洁水匮乏人群的可行选择。这项工作不仅为太阳能蒸汽生成领域做出了贡献，也展示了天然材料在解决关键的水资源、环境和可持续性问题方面的巨大潜力。

Xue Han et al. Sustainable solar water purification: Exploring the structural advantages of higher plants. Sci. Adv. 12, eaeh3059 (2026). DOI:10.1126/sciadv.aeh3059

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余桂华（通讯作者），美国德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程系、机械工程系讲席教授。其团队聚焦新型功能化纳米材料的精准设计与绿色合成，尤以能源与环境凝胶材料的开创性研究见长，系统表征其物理化学性质并推动其在能源、环境及生命科学领域的技术应用。已在 Science、Nature及Nature子刊等国际知名期刊发表论文300余篇，被引约142,000次，H-index 222，为材料科学与化学两个学科的全球Top 0.1%高被引学者。现任 ACS Materials Letters 执行主编，并担任二十余个国际知名化学与材料类期刊顾问编委。

陈文帅（通讯作者），东北林业大学教授、博士生导师。新时代青年先锋、中国青年科技工作者协会理事、黑龙江省青联常委、黑龙江省“新青年奖”十佳人物、黑龙江省青年五四奖章获得者、黑龙江省优秀教师。主要从事木材物理学研究，在林木纤丝解聚、重组与高效利用方面取得一系列创新成果。在 Nature Sustainability、Nature Water 等期刊发表论文140余篇，入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”榜单。在科学出版社出版学术著作2部、英文书章1部。担任 Science Bulletin 特邀编委、SusMat 学术编辑。

整理：阳光净水

编辑：环境与能源功能材料 （阳光净水）

阳光净水课题组：主要研究方向为生物质基环境功能材料、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：

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