蒸發材料0426丨南京林業大學/新加坡國立大學CPB論文丨可擴展的竹廢料太陽能蒸發器，用于低成本且可持續的海水淡化

2026年3月，國際期刊《Composites Part B》在線發表了南京林業大學/新加坡國立大學題為“Scalable bamboo-waste solar evaporators for low-cost and sustainable desalination”的研究性論文。本文通過常溫下催化輔助激光石墨化（C-LG）技術，原位構建連續石墨烯薄膜，將竹廢料升級為耐用、低成本、米級太陽能蒸發器，顯著簡化制備工藝，并突破了生物質基蒸發器的光熱性能瓶頸。Composites Part B: Engineering? 是一本由Elsevier出版的國際知名學術期刊，專注于復合材料領域的高質量研究?，屬于中科院一區Top期刊，在國際材料科學領域具有重要學術影響力?國際學術。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.113300

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全球淡水資源短缺亟需可持續的水凈化解決方案?。太陽能驅動蒸發技術雖在分布式清潔水供應方面前景廣闊，但其應用受限于高成本、耐久性差和規模化困難。本文通過常溫下催化輔助激光石墨化（C-LG）技術，原位構建連續石墨烯薄膜，將竹廢料升級為耐用、低成本、米級太陽能蒸發器，顯著簡化制備工藝，并突破了生物質基蒸發器的光熱性能瓶頸。利用竹子天然中空結構與創新的中空交替設計，實驗室規模蒸發器實現了增強的蒸汽對流，消除“死區”，促進溶液擴散以防止鹽分積累，性能優于已報道的同類生物質蒸發器，并在高鹽度東海海水中持續穩定產水超過180天。為實現大規模應用，米級模塊被集成至太陽能驅動的淡化-種植平臺，支持塊莖、豆類和谷物作物的全周期種植，技術經濟性能創紀錄地超過3000 g·h?1·$?1。生命周期評估進一步顯示，相比傳統淡化系統，其二氧化碳當量排放減少逾百倍。這一受自然啟發、可實地部署的蒸發器構建了低成本、低碳的太陽能-水-糧食 nexus，直接推動實現全球氣候韌性與可持續發展目標。

在全球范圍內，淡水短缺危機正隨著氣候條件的持續變化、人口總量的不斷攀升以及農業生產用水需求的日益增長而愈發嚴峻。太陽能界面蒸發技術憑借其清潔無污染、碳排放低的顯著優勢，逐漸成為水資源領域的研究焦點。然而，當前主流的蒸發器大多以人工合成材料為核心制備原料，不僅生產成本居高不下，廢棄后還難以自然降解，極易引發環境負擔；更關鍵的是，當該技術走向規模化應用時，設備內部極易形成蒸汽“死區”，大幅削弱蒸發效率。

與此同時，生物質材料雖具備天然多孔結構、原料來源廣泛且成本低廉等特質，但其表面對光線的反射率較高，光熱轉換效率難以突破瓶頸，這一短板嚴重限制了它在太陽能蒸發技術體系中的進一步推廣與應用。

廢棄竹材的高值化轉化：研究以竹子加工中常被棄置的上部殘材為原料，通過催化劑輔助激光石墨化技術，在常溫常壓條件下于竹材表面原位生成多孔石墨烯薄膜。這一改性處理將材料的光吸收率提升至95%，且制備流程簡便、成本低廉，實現了廢棄竹材的“變廢為寶”。

創新結構破解規模化瓶頸：研發團隊設計了“空心交替”蜂窩狀結構，通過竹單元的有序排列強化蒸汽對流效應，徹底消除蒸汽“死區”，大幅提升蒸發效率。同時，該結構可促進鹽分橫向擴散，從根源上解決蒸發器表面積鹽問題，為規模化應用掃清障礙。

長效穩定的高性能表現：基于上述技術制備的米級蒸發器，蒸發速率可達2.07 kg·m?2·h?1。在高鹽度東海海水中連續運行180天，設備性能未出現明顯衰減，產出淡水的各項指標均符合國際飲用水標準，展現出優異的穩定性與耐用性。

構建“水—糧”聯產閉環系統：將該蒸發器與農業種植平臺集成，搭建起太陽能驅動的“淡水—糧食”聯產系統。利用淡化產出的清潔水，成功實現小麥、豆類等多種作物的全周期培育，形成了從海水淡化到作物種植的閉環生產模式。

環保與經濟價值兼具：全生命周期評估結果顯示，該技術的二氧化碳排放量較傳統海水淡化系統降低100倍以上；其成本效益比超過3000 g·h?1·＄?1，在技術經濟性上表現突出，具備極強的規模化推廣潛力。

先將竹材置于單寧酸-鐵鹽混合溶液中浸泡，使其表面形成均勻分布的催化涂層；隨后采用CO?激光對竹材表面進行輻照，激光能量可觸發竹材表層有機組分同步發生碳化與石墨化反應，最終生成具備光熱轉換功能的多孔石墨烯層。竹材原生的空心結構與維管網絡為水分傳輸提供了天然高效通道，再結合“空心交替”的模塊化排列設計，可同時實現蒸汽的快速逸散與鹽分的及時遷移，從結構層面保障蒸發過程的高效穩定。

?圖1. 通過C-LG工藝制備竹廢料太陽能蒸發器的過程。

圖2. (a) 分級三維多孔石墨烯薄膜。(b) 穩定的流體傳輸通道。(c) 雙峰多孔結構誘導側向鹽水擴散與濃縮。(d) 實時水力傳輸性能的數字圖像與模擬結果。

圖3.(a) RB、LGB和C-LGB的拉曼光譜，(b) 傅里葉變換紅外光譜（FTIR），(c) X射線光電子能譜（XPS），以及(d) X射線衍射光譜（XRD）。(e) 沿C-LGB剖面的分析區域。(f) (e)中從上到下各分析區域對應的拉曼光譜。(g) 石墨烯薄膜結構的光學圖像及相應的拉曼面掃圖（ROI：每個1.5 × 1.5 μm2），(h) D峰、(i) G峰和(j) 2D峰。(k) 紫外-可見-近紅外（UV–vis–NIR）光譜。(m) 在1個太陽光照下的實時表面溫度，以及(n) 紅外熱成像圖。

?圖4.? (a) 純水、RB、LGB 和 C-LGB 的水分蒸發隨時間的質量變化。(b) 純水、RB、LGB 和 C-LGB 的蒸發速率。(c) 與此前報道的碳基或生物基太陽能蒸發器相比，蒸發速率和能量轉換效率的對比。(d) C-LGB 在不同光照強度下的蒸發速率，(f) 光學照片及紅外熱成像圖。(e) 蒸發焓的降低。(g) C-LGB 表面以上對流的模擬結果。

圖5. Density_array（a）和Hollow_alternate（b）表面以上對流的模擬結果。（c）60分鐘內水分質量變化及其數學模擬結果。（d）24小時內蒸發水量及其數學模擬結果。Density_array（e）和Hollow_alternate（f）的排鹽性能與作用機制。

圖6. (a) Hollow_alternate在不同鹽溶液中的蒸發速率，插圖顯示10小時后的表面情況。(b) 四種主要離子的實測濃度，插圖展示使用Hollow_alternate進行太陽能蒸汽生成前后長江水的濁度變化。(c) 使用Hollow_alternate前后長江水的水質情況。(d) 太陽能淡化-農業集成系統及小麥全周期種植示意圖。(e) 竹廢料蒸發器在東海連續180天的蒸發性能，插圖顯示第1、45、90、135和180個循環的水質量變化。(f) 竹廢料蒸發器與JW、AE和PV-RO相比的環境影響。(g) 六項指標綜合價值的對比，評分標準詳見補充表S11。(h) C-LGB與已報道的太陽能蒸發器和太陽能蒸餾器的經濟技術分析。(i) 示意圖展示零饑餓（SDG 2）、清潔飲水（SDG 6）和氣候行動（SDG 13）在可持續發展目標中的重要性。

全球向可持續水基礎設施轉型需要高效、可擴展且適用于資源受限地區的去中心化、低碳技術?。本研究通過升級通常被丟棄的竹子上部來提升其可持續性與價值，并利用一步法C-LG策略將其轉化為高性能太陽能蒸發器。Fe-單寧酸配位復合物不僅在常溫下促進多孔石墨烯薄膜的原位形成，還顯著降低了碳化的能量閾值，從而獲得寬帶光吸收率達95%的高吸收表面，為突破傳統生物質基太陽能蒸發器的光熱性能限制提供了環保制備路徑。此外，創新的中空交替結構直接解決了太陽能蒸發器放大過程中的關鍵挑戰——面積增加通常因蒸汽積聚而導致蒸發性能下降。通過引入均勻分布的中空區域以促進對流性蒸汽排出和橫向鹽分傳輸，實現了?2.07 kg·m?2·h?1?的高蒸發速率，同時材料使用量減少?16.7%?，據我們所知，這是米級太陽能蒸發器中報道的最高效率之一。通過調控結構而非化學成分，該設計為大規模太陽能蒸發系統提供了一種通用且可擴展的設計原則。此外，生命周期評估（LCA）和技術經濟分析（TEA）進一步證實了該方法在環境與經濟上的優勢。本研究為設計下一代蒸發器提供了重要啟示，可在提升性能的同時兼顧可持續性與可負擔性，為清潔水與糧食生產提供切實解決方案，支持氣候韌性及聯合國可持續發展目標，即SDG 2零饑餓、SDG 6清潔水和SDG 13氣候行動。

Xu, H., Wang, S., Chen, M., Xu, X., & Li, B. (2025). Scalable Bamboo-Waste Solar Evaporators for Low-Cost and Sustainable Desalination. Composites Part B, DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.113300

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資料整理與翻譯：陽光凈水

編輯：環境與能源功能材料

陽光凈水課題組：主要研究方向為生物質基環境功能材料、太陽能蒸發材料、磁性吸附材料、污染物吸附和環境催化反應機理。課題組主頁：

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

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殼聚糖丨纖維素丨MOF材料丨石墨烯丨碳納米管丨MXenes丨硫化鉬丨催化材料丨蒸發材料丨吸附材料丨電極材料丨除磷材料丨產氫材料

2025年9月，國際TOP期刊《International Journal of Biological Macromolecules》發表了陽光凈水課題組題為“Multifunctional and sustainable chitosan-based interfacial materials for effective water evaporation, desalination, and wastewater purification: A review”的綜述性論文。根據Web of Science檢索，這是國際上首篇全面論述多功能和可持續殼聚糖基界面蒸發材料在廢水處理和水凈化中應用的綜述性論文。本文總結了殼聚糖基太陽能界面蒸發器（CS-SIE）四種類型（水凝膠、氣凝膠、海綿和膜）、五種改性材料和在水污染控制中應用。最后，總結了CS-SIEs在際應用中仍面臨挑戰。《International Journal of Biological Macromolecules》主要聚焦于天然大分子的化學改性及其在生物、環境、制藥、食品等領域的工業應用，最新中科院分區：8.50/二區TOP期刊。

聲明： 1 、環境與能源功能材料公眾號分享國際生物質（殼聚糖、纖維素、木質素、海藻酸等）功能材料、太陽能蒸發材料、新型吸附材料、碳基（石墨烯、碳納米管、碳量子點、生物炭、富勒烯等）材料、 MOFs/HOFs/COFs 材料、光催化材料、 Fenton 材料、產氫材料等相關前沿學術成果，以及其它相關數據處理方法、論文寫作和論文投稿等信息，無商業用途。2、本公眾號尊重原創和知識產權人的合法權利。如涉及侵權，請立刻聯系公眾號后臺或發送郵件，我們將及時修改或刪除。3 、部分圖片和資源來源網絡或轉摘其它公眾號！凡注明 " 來源： xxx （非本公眾號） " 的作品，均轉載自其它媒體，轉載目的在于傳遞更多信息，并不代表本公眾號贊同其觀點和對其真實性負責，且不承擔此類作品侵權行為的直接責任及連帶責任。 4 、外文文獻翻譯目的在于傳遞更多國際相關領域信息。外文文獻由課題組研究生翻譯，因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大家批評指正。 5 、歡迎環境與能源材料相關研究成果提供稿件，環境與能源功能材料公眾號將會及時推送。聯系郵箱：EEmaterials@163.com ； 聯系微信號： LeoChuk 。