天津科技大学在生物质基太阳能蒸发器领域取得重要进展

近日，我校生物基纤维材料全国重点实验室、轻工科学与工程学院司传领教授团队围绕生物质基太阳能蒸发器领域取得重要进展。研究系统阐明了生物质材料与蒸发器关键性能之间的内在关联，并针对纸基、水凝胶基等多类型生物质基太阳能蒸发器，提出了定制化设计原则与性能优化提升策略；同时，团队重点展望了该类蒸发器在海水淡化、蒸汽发电等领域的前沿应用方向，为其可持续发展与多元化应用提供了重要参考。该工作以题为“Engineered Biomass-Based Solar Evaporators for Diversified and Sustainable Water Management”发表在《Advanced Materials》2025年10月第37卷39期，并被遴选为封面文章（Cover）。轻工科学与工程学院2023级博士研究生李威为该论文第一作者，司传领、朱礼玉、徐婷以及王冠华教授为通讯作者，天津科技大学为唯一单位。

图1. 该工作被遴选为《Advanced Materials》封面文章

生物质基太阳能蒸发器依托天然多孔结构、优异的光热转换效率、出色的亲水性及良好的环境友好性，已成为推动海水淡化、蒸汽发电及农业灌溉等领域绿色发展的“潜力技术”。然而，该类材料在实际应用中仍面临着核心瓶颈——一方面宽带光吸收能力受限，难以充分利用太阳能；另一方面易因盐沉积导致孔隙堵塞，影响长期稳定运行。因此，对生物质材料的物理化学结构开展多维度精准调控，已成为突破上述瓶颈、提升生物质基太阳能蒸发器综合性能的关键突破口。这一研究方向不仅为优化蒸发器性能提供了核心思路，更有望为构建高效、稳定且多场景适配的新一代水处理系统，提供兼具创新性与实用性的关键解决方案。

图2.生物质基太阳能蒸发器在水处理领域的发展历程

在太阳能蒸发器的生物质材料研究领域，核心方向主要聚焦于纤维素、木质素、壳聚糖及海藻酸钠四大天然聚合物。这类天然聚合物具备双重关键价值：一方面能显著提升太阳能蒸发器的能量转换效率，夯实设备核心性能基础；另一方面可依托自身天然可再生特性，进一步强化设备的环境可持续性——二者协同作用，成为优化蒸发器综合性能的核心支撑。从资源属性来看，上述天然聚合物的原料多取自秸秆、稻壳、玉米芯、坚果壳、果皮等农林废弃物。对这类低成本原料的高效开发利用，不仅大幅降低了生物质基太阳能蒸发器的材料制备成本，更开辟了农业废弃物资源化利用的新方向，实现了“降本”与“环保”的双重效益。值得注意的是，这类天然聚合物的应用价值并非局限于太阳能蒸发器领域。凭借优异的物化特性，其在生物材料、功能材料及超级电容器材料等多个前沿研究与产业领域，同样有着广泛且重要的应用，展现出极强的跨界适配潜力。

图3. 用于太阳能蒸发器生物质材料的理化特性

在海水淡化领域，生物质基蒸发器可以通过选择性水传输与抗盐结晶设计，在蒸发过程中可以实现盐分排斥，从而保障淡水产量的长期稳定性。针对油水分离难题，设计的疏水-亲水异质结构可选择性吸附水相并阻隔油类物质，在处理含油废水时兼具高分离效率与抗污染能力。在能源转化方面，蒸发产生的蒸汽动能可直接驱动发电，而界面蒸发热的梯度分布特性可与热电材料耦合，构建光热-电能联产系统。在农业灌溉领域则通过将蒸汽冷凝水定向输送至作物根系，结合生物质基体的养分缓释功能，形成节水增效的智能灌溉模式。这种跨领域的协同创新不仅突破了传统水处理技术的能耗瓶颈，更为干旱地区水资源短缺、工业废水治理、分布式能源供应及精准农业等复杂问题提供了集成化解决方案，展现出“一材多用”的可持续发展潜力，标志着生物质材料在清洁水-能联供系统中迈入了系统化应用的新阶段。

图4. 生物质基太阳能蒸发器在未来应用中面临的挑战及解决方案

该研究系统阐释了生物质基太阳能蒸发器的光热转换机制、材料结构优势及功能化设计策略，揭示了多尺度结构调控策略对生物质基太阳能蒸发器性能的影响规律。尽管生物质基太阳能蒸发器在抗盐结晶、蒸发速率提升等方面取得突破，仍面临生物质原料性能均一化控制、蒸发体系热局域化精准调控、光热-蒸发耦合机制解析等核心挑战。亟需通过多尺度仿真建模与跨学科技术融合，在材料-结构-功能一体化设计、能量传递路径优化及全生命周期环境评估等方面开展深入研究，推动技术从实验室迈向实际应用。

近年来，生物基纤维材料全国重点实验室、轻工科学与工程学院司传领教授团队在造纸纤维原料及农林生物质高值利用领域持续开展研究，成果先后在Nature子刊、Chemical Society Reviews、Energy & Environmental Science、AngewandteChemie International Edition、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等权威期刊发表。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202503658

编辑：田珺  张晓飞