摘要：太阳能驱动界面水蒸发（SIWE）技术通过利用太阳能从含盐水中分离或提取多种离子，为清洁水制备和关键矿物资源的获取提供了一种环保、经济且可持续的解决方案。然而，在实际应用中，光热界面的固体盐堆积不可避免地削弱SIWE的性能，而直接排放剩余浓盐水则可能带来严重的环
太阳能驱动界面水蒸发（SIWE）技术通过利用太阳能从含盐水中分离或提取多种离子，为清洁水制备和关键矿物资源的获取提供了一种环保、经济且可持续的解决方案。然而，在实际应用中，光热界面的固体盐堆积不可避免地削弱SIWE的性能，而直接排放剩余浓盐水则可能带来严重的环境风险。因此，优化太阳能蒸发器的设计，以推动SIWE技术在清洁水和关键矿产资源获取中的应用，对于协调资源、能源和环境的关系具有重要意义。
近日，河北工业大学张盼盼副教授、纪志永教授&清华大学曲良体教授在ACS Nano上发表题为“Solar Evaporators for Saline Water: Sustainable Clean Water Harvesting and Critical Mineral Resources Extraction”的综述性文章。含盐水（主要包括海水和盐湖卤水）中富含多种资源，可持续的海水淡化与关键矿物资源提取对缓解缺水问题和保障关键矿物资源的稳定供应至关重要。由于SIWE技术在这两方面展现出的巨大潜力而备受研究学者关注。本综述分别系统探讨了先进的非选择性抗盐太阳能蒸发器（NS-SRSEs）和选择性盐提取太阳能蒸发器（S-SESEs）在可持续清洁水收集和关键矿物资源提取中的最新进展（图 1）。首先，基于光热界面结构设计和表面改性策略介绍了NS-SRSEs在可持续海水淡化中的最新研究进展。随后，重点分析了S-SESEs协同高铀亲和性水凝胶、铀捕获DNA、锂选择性吸附位点和锂选择性分离层的构建策略用于太阳能强化关键矿物资源提取。此外，文章还总结了NS-SRSEs和S-SESEs在实际应用中所面临的挑战与机遇。展望未来，随着技术的不断进步，太阳能蒸发器在生活和工业领域的应用潜力将进一步释放，为全球水资源的可持续利用和重要矿产资源的高效回收提供有力支持。
图1 NS-SRSEs和S-SESEs分别用于可持续清洁水收集和关键矿物资源提取
一、提升SIWE水蒸发性能设计调控
在SIWE系统中，太阳能蒸发器有效地吸收太阳能并将其转化为热能，用于加快光热界面水蒸发。通过优化光吸收、水传输、热损失和水蒸发焓等关键因素，可极大提高SIWE系统的能源利用效率（图2）。
图2 提升SIWE水蒸发性能设计策略
二、NS-SRSEs的界面结构调控和表面改性
除了优化太阳能蒸发器以实现高水蒸发率和能源效率之外，提升其在海水淡化过程中的耐盐性、稳定性和长期耐用性同样至关重要。NS-SRSEs 的抗盐性优化主要包括界面结构调控和表面改性两方面（图 3）。在界面结构调控方面，NS-SRSEs 通过有效引导盐离子回流至原始水体或将盐晶体定位于不遮挡光吸收层或阻碍水传输层的区域，从而增强其抗盐性能和长期稳定性。表面改性方面，NS-SRSEs 通过构建选择性水分子传输通道，实现水分子与盐离子的分离，防止盐晶体在界面沉积，有效提升其抗盐能力。
图 3 从界面结构调控和表面改性两方面构建NS-SRSEs的策略
【NS-SRSEs的界面结构调控】
NS-SRSEs的抗盐性可通过宏观结构引起的自然对流和扩散机制来实现。设计特定的宏观结构（如毫米通道、多孔结构、宏观通道等）能够促进流体运动，进而加速盐离子的扩散与再分布，从而最大限度地减少盐的积累。这种自驱动排盐机制不仅有效避免盐堵塞，还能保持长期的蒸发效率和稳定性；采用非接触式设计的NS-SRSEs通过减少蒸发界面与水体的直接接触，来有效防止盐分积累，从而提高其抗盐性能。这一设计能够有效避免盐堵塞，保持稳定的水蒸发率。无非接触式NS-SRSEs通常采用板式、伞形、倾斜立方体等多种太阳能吸收器形式，已广泛应用于海水淡化技术中（图4）。
图 4 NS-SRSEs在宏观结构诱导的自然对流/扩散和非接触设计方面的界面结构调控
基于马兰戈尼效应的NS-SRSEs主要通过利用液体界面表面张力差引发的流动来防止盐分在蒸发界面上的沉积，其结构形式包括桥式结构、华夫饼结构和塔式结构等。在太阳能驱动的界面水蒸发过程中，浓度或温度梯度引起的表面张力差异会促使马兰戈尼效应在蒸发界面上产生自发对流，从而有效防止盐分积累，实现长期的脱盐效果；构建具有独特多层结构和定向输水设计（如锥形和矩形）的三维NS-SRSEs，利用空间分层和自发对流来定位盐晶体并确保清洁的蒸发界面，也可实现长期稳定、高效的蒸发性能（图5）。
图5 NS-SRSEs在马兰戈尼效应和三维盐结晶器方面的界面结构调控
基于溶质交换策略的NS-SRSEs通过采用半透膜，只允许工作液和源溶液之间的水转移，从而实现稳定高效的太阳能蒸发。同时，工作液的设计兼具低粘度和高溶解性，可防止盐在蒸发界面结晶。这种溶质置换方法具有卓越的稳定性、抗污性和广泛的适用性，因此在实际应用中推进热定位太阳能蒸发技术有良好的前景（图6）。
图6 NS-SRSEs基于溶质置换策略的界面结构调控
【NS-SRSEs的界面改性】
Janus设计通过构建具有不同界面特性的双面结构来实现高效水蒸发。一面为亲水层，能够迅速吸收水分并维持蒸发界面的稳定供应；另一面则为疏水层，有效阻挡盐离子进入光热蒸发区下方。这种双面结构形成了独特的水传输通道和盐分隔离层，从而显著增强蒸发界面的抗盐能力，确保即使在高盐度条件下也能实现持续稳定的水蒸发；具有疏水表面的NS-SRSEs在高效抗盐脱盐方面发挥着重要作用。低表面能化学成分和表面具有微/纳米结构的粗糙层形成了显著的微/纳米气隙层，阻止盐分渗入蒸发界面，从而防止盐分结晶沉积（图7）。
图7 NS-SRSEs在Janus设计和疏水表面方面的表面改性
水凝胶基NS-SRSEs具有丰富的亲水官能团，可通过调节与水分子的强相互作用形成分子级快速水通道，源源不断地向蒸发界面提供水分子。同时，在水凝胶基NS-SRSEs的界面上建立了盐离子迁移平衡，防止盐离子在蒸发区达到饱和，最大限度地减少盐离子在界面上的积累；Donnan效应诱导的NS-SRSEs抗盐性依赖于材料表面的静电斥力，静电斥力限制了盐分的积累。当NS-SRSEs暴露在盐水中时，其表面或孔隙中的带电基团会通过唐南效应形成电势屏障，有效排斥带相同电荷的盐离子，从而抑制盐分积累和结晶，实现长期稳定的海水淡化；基于抗聚合电解质效应，含有正电荷和负电荷基团且整体净电荷为零的聚合电解质聚合物已成为具有高效耐盐性的NS-SRSEs的理想选择。也就是说，盐水中的离子会在带相反电荷的齐聚物聚合物链之间产生静电吸引，从而增强聚合物网络的水合作用，使其快速吸水并提高耐盐性。（图8）
图8 NS-SRSEs在离子迁移平衡、Donnan效应和抗电解质效应方面的表面改性
迄今为止，通过对界面结构和化学性质的调控，大量已构建的NS-SRSEs都具有优异的水蒸发性能和长时间的耐盐性，这为未来推动SIWE技术的海水淡化实际应用提供了一定的指导。实际上，盐水通常含有更复杂的成分，包括高浓度的其他离子，如镁（Mg2+2+），这些离子会带来巨大的污垢风险，因此，NS-SRSEs在实际应用中需要解决盐水成分更为复杂的问题。三、构建具有盐选择性提取能力的S-SESEs
随着蒸发的进行，铀和锂等溶解固体在残余盐水中的浓度越来越高，为资源回收和再利用提供了巨大的潜力。因此，从复杂离子体系中高效分离和回收关键资源，具有重要的科学和经济意义。这不仅能优化盐资源的综合利用，还能为可持续发展和资源循环利用提供技术支持，从而缓解全球关键矿产资源短缺的问题。NS-SRSEs的构建策略对改进S-SESEs的设计和性能有重要意义，在NS-SRSEs结构策略的基础上，加入特定离子吸附位点或选择性分离层可促进有价值矿物资源的高效提取。目前，太阳能增强关键矿物资源提取主要集中在铀和锂方面（图9）。
图9 可用于选择性提取铀和锂资源的S-SESEs
【基于S-SESEs的铀提取技术】
海水中的铀资源分布广泛，不受地域限制，为核能发展提供了可持续的后备资源。与传统的矿石开采相比，海水提铀对环境的影响较小，有助于减少对生态的破坏。因此，开发高效、经济的海水提铀技术对于确保未来核能发电和人类能源的可持续发展至关重要。目前，利用SIWE技术的研究人员主要开发S-SESEs，使用高铀亲和性水凝胶和铀捕获DNA进行高效太阳能增强铀提取。
使用高铀亲和力水凝胶的S-SESEs主要利用磷酸、脒肟和胺等官能团通过配位键与铀离子（UO22+）结合，有效地从海水中分离铀（图10）。利用可持续生物质吸附材料设计的具有三维离子传输网络的太阳能集热器被引入到太阳能辅助海水铀提取中。此外，将叔胺基团改性为季铵盐还能增强抗菌性能。混合氧化石墨烯的加入实现了高效的光热转换，进一步加强了网络内的离子传输。图 10 基于高铀亲和性水凝胶的S-SESEs
结合铀捕获DNA的S-SESEs利用DNA酶结构的特定金属离子识别和结合特性，赋予UO22+特定的金属离子吸附特性，从而在太阳光下从复杂的海水环境中选择性地提取铀（图11）。图11 结合铀捕获DNA的S-SESEs
随着电动汽车、电子和储能产业的蓬勃发展，对电池用锂（Li+）的需求呈指数级增长。海水中含有丰富的Li+资源，估计总量超过2300亿吨，尽管浓度较低，但已远远超过陆地锂资源。与传统的太阳能蒸发池法提取盐湖卤水中的Li+相比，结合SIWE技术的新兴Li提取方法具有提取速度快、占地少、产量高等优点。然而，目前的系统面临着残余浓溶液中多种盐离子共沉淀的挑战，缺乏从盐湖卤水中复杂离子成分中高效、选择性提取Li+的能力。SIWE系统主要采用两种策略对S-SESEs进行界面调节，以实现太阳能驱动的Li+资源提取。一种策略是构建具有锂选择性吸附位点的S-SESEs，用于从盐湖卤水中提取太阳能强化Li+。这种方法利用光热蒸发界面出色的集热能力，有效提高了Li+吸附的热力学和动力学性能。另一种策略是制造具备锂选择性分离层的S-SESEs，用于太阳能强化Li+提取。利用高选择性和光热蒸发界面促进Li+具有锂选择性吸附位点的S-SESEs利用锂离子筛吸附剂（如锰、钛和铝吸附剂）的选择性吸附能力和较高的界面蒸发温度进行太阳能强化Li+提取。这些锂离子吸附剂具有独特的离子选择性，可有效区分Li+与其他共存离子，提高选择性提取Li的效率。结合蒸发界面的优异光热转换特性，可产生局部高温，加速水的蒸发，从而提高Li+的传输和吸附率。（图12）。图12 具有锂选择性吸附位点的S-SESEs
另一个重要方法是开发具有Li选择性分离层的S-SESEs，用于从水溶液中提取太阳能强化Li+。具备Li+选择性分离层的S-SESEs利用了蒸发界面的高选择性和高效集热能力，从而实现了高效的Li+分离和富集。具备Li+选择性分离层的S-SESEs的结构设计允许Li+优先渗透，同时抑制其他共存离子的通过。S-SESEs的蒸发界面在吸收太阳光后将太阳能转化为热能，并通过局部加热使水蒸发，在蒸发界面形成高浓度的Li+溶液，加速了Li+的传输和富集效率（图13）。Li+选择性吸附/分离与SIWE技术的协同效应为低碳、可持续、同步富集Li++提供了有效途径。然而，新兴的太阳能强化盐湖卤水提取Li++同步提取富集等。图13 具备锂选择性分离层的S-SESEs
挑战与未来展望
（1）推进太阳能蒸发器的设计：未来的工作重点应是优化NS-SRSEs的设计，以提高其大规模应用和多场景适应性，综合考虑其成本、耐用性和适用性；推进具有高特异性离子选择性的S-SESEs设计，以高效提取其他有价离子（包括铷、铯和锶）也具有重要意义。（2）促进水资源和资源的可持续性：NS-SRSEs和S-SESEs的设计具有低能耗、减少碳排放和环境友好的优点，在可持续收集清洁水和从盐水中提取关键矿物资源方面具有巨大潜力。进一步的研究应侧重于开发具有成本效益的、集成的、连续的关键矿物资源提取和收集装置，以提高其实际可行性。此外，将可持续净水收集与关键矿物资源回收相结合的混合装置可同时应对资源、能源和环境挑战，并提高系统的整体性能。（3）深入探索机理：更好地理解蒸发界面的盐阻力和选择性分离的内在机理对于指导和优化NS-SRSEs和S-SESEs的设计至关重要。研究NS-SRSEs和S-SESEs在复杂环境中的适应性和长期稳定性，包括它们的抗盐、抗污、抗腐蚀和抗冷冻机制，可以为提高耐久性和实际应用性提供一定的理论基础。（4）扩大规模和工业应用：高昂的制造成本和复杂的制造工艺阻碍了NS-SRSEs和S-SESEs技术从实验室规模的实验向工业规模、经济上可行的应用过渡。为了实现产业化，必须开发具有成本效益的高效制造方法，以降低生产和维护成本，在不影响性能的前提下实现更广泛的工业应用（图14）。
图14 基于NS-SRSEs和S-SESEs的可持续清洁水收集和重要矿产资源开采概念图
张盼盼，河北工业大学化工学院准聘副教授，博导，元光学者。博士毕业于清华大学，美国德州大学奥斯汀分校访问学者。主要从事新型光热材料的合理设计和构筑，利用清洁能源太阳能，实现从不可用水源中可持续获取清洁水，同时高效提取重要矿物资源，推动低成本、强适用性、集成化的成套装备研发，助力清洁水和矿物资源高效、绿色、可持续获取及实际应用。目前，已发表SCI论文50篇，论文总被引用5000余次，h-index为28，4篇入选ESI高被引论文。以第一/通讯作者在高水平期刊Adv. Mater.（2篇）、Angew. Chem. Int. Edit.、ACS Nano、Nano Lett.、Nano Energy、Energy Storage Mater.、ACS Mater. Lett.、Environ. Sci. Technol.等发表SCI论文18篇，获授权国家发明专利6项。主持国家青年基金项目、河北省优秀青年项目、教育部“春晖计划”合作项目，重点参与国家级和省级重点项目4项，多次参加国内外学术交流会议作口头报告。担任期刊Sep. Purif. Technol.、Exploration、Carbon Neutraliz青年编委，以及Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Sep. Purif. Technol.、Desalination等国际重要学术期刊审稿人。
纪志永，河北工业大学化工学院教授、博导，现任海水资源高效利用化工技术教育部工程研究中心主任。研究方向：（1）海/卤水综合利用（钾K、锂Li、溴Br等分离提取与纯化）；（2）含盐废水处置（高级氧化AOP、钾锂溴等回收/去除、膜/热浓缩减量、盐差能/氢能挖掘）及水质基准；（3）选择吸附与膜分离及电极材料设计开发。河北省首批青年拔尖人才、“三三三人才工程”人选及杰出青年科学基金获得者。兼任中国海洋学会海水资源利用专委会委员，中国化工学会工业水处理专委会委员、无机酸碱盐专委会委员，中国膜工业协会电驱动膜专委会委员，北京膜学会常务理事、天津市自然资源学会常务理事、河北省海洋学会理事；《Desalination and Water Treatment》《材料导报》《工业水处理》《盐湖研究》编委等。主持国家重点研发计划课题和国家自然科学基金联合基金重点项目等20多项，获河北省自然科学二等奖（1/5）、技术发明一等奖（3/6），天津市科技进步一等奖（3/12）及中国产学研合作创新奖（个人）等，授权发明专利20多件，制定国标和行标各1项；发表科技论文近150篇（SCI/EI收录60多篇），出版著作2部。
曲良体，清华大学化学系教授，博士生导师，国家“百千万人才工程”、“万人计划”科技创新领军人才、教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者，围绕碳纳米材料、石墨烯、碳纳米管、导电与功能高分子的可控制备、功能修饰与组装开展研究，探究其在先进功能材料、高效能量转化与储存等方面的应用。研究领域涉及纳米与材料化学、电化学、绿色能源、柔性电子与储能器件等，例如包括石墨烯超结构、智能响应高分子、海水淡化、空气发电、新型电化学电池/电容器、微型能源器件及柔性器件等。在Science, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Advanced Materials, Journal of the American Chemical Society等国际重要期刊发表SCI论文200多篇，论文他引两万余次，单篇论文最高他引2600余次。研究工作被 Nature，新华社等专业刊物报道。曾获国家自然科学二等奖1项（第二获奖人），获教育部自然科学一等奖1项（第五获奖人）。
来源：高分子科学前沿