水、能源与环境可持续性所面临的挑战日益严峻，亟需对海水、废水、高盐卤水等多种水源进行资源化利用。为此，研究人员开发了一种受盐肤木启发的垂直分层结构（RVHS），旨在实现全天候淡水提取、清洁盐回收及电力生产。通过合理调控相变材料（PCM）的热存储过程，RVHS在白天和夜间的产水率分别达到5.07 kg m-2与2.04 kg m-2，约为传统系统的1.2倍和1.8倍。同时，该结构的盐回收率可达2.24 kg m-2 day-1；得益于污染物捕获陷阱，RVHS可生产出不含微塑料、持久性有机污染物等新兴污染物的高纯盐，该功能在以往研究中鲜有涉及。此外，在蒸发过程中，通过优化蒸发界面的盐浓度/温度梯度分布进一步实现了高效能量收集，其输出功率较传统装置提升约60%。通过进一步优化热力学结构或引入更高性能的水伏材料，RVHS的发电性能还可继续提升。综上所述，本研究为太阳能驱动的废水/海水资源回收提供了一种通用方案。
该工作近期以“Rhus Chinensis-Inspired Vertical Hierarchical Structure for Solar-Driven All-Weather Co-Harvesting of Fresh Water, Clean Salts, and Authigenic Electricity”为题，于2025年10月在线发表于《Advanced Materials》上。新加坡国立大学Tan Swee Ching教授为论文通讯作者。Zhen Yu博士为本文第一作者。该工作是在课题组成员前期研究基础上（Nat. Commun. 2024, 15, 6081; Adv. Funct. Mater. 2025, 2505776; Adv. Funct. Mater. 2025, 2420651; Environ. Sci. Technol. 2025, 59, 27, 13754–13764; Adv. Sci. 2025, 12, 2505997; Adv. Sci. 2025, 12, 2408081）的进一步拓展，致力于实现海水/废水中资源与能源的综合提取与利用。
太阳能界面蒸发技术已成为解决水-能源-环境问题的一种颇具潜力的绿色方案。近年来，该技术已从单纯提升蒸发性能逐步拓展至多样化的应用场景，并取得了显著进步。然而，该技术在大规模推广与实际部署方面仍面临若干关键挑战。首要挑战之一是室外蒸发性能的不稳定性。与受控室内环境不同，室外天气条件的波动会导致太阳辐射呈现间歇性，进而引起蒸发速率不稳定。引入相变材料（PCM）是降低连续日照依赖的有效途径。然而，在同时实现淡水生产、盐分提取与发电等多功能耦合的蒸发系统中，PCM的作用机理目前尚未得到充分探索。另一个关键挑战在于回收产物的潜在污染问题。天然水源中常含有抗生素、持久性有机污染物（POPs）、微塑料（MPs）及重金属等复杂污染物。前期研究表明：部分新兴污染物（如微塑料）可在蒸馏水中检出，限制了其直接使用的安全性。同时，由于缺乏有效的污染物截留机制，多数太阳能蒸发器难以产出清洁可用的盐。这种受污染的盐无法直接利用，因此严重降低了其经济价值与能源潜力。因此，在提升产量的同时，严格评估并保障回收产物的实际可用性，成为当前研究中一个被广泛忽视却至关重要的方向。
盐肤木作为一种耐寒耐盐的落叶乔木（图1a），在超过六千万年的演化历程中，形成了多种独特的组织与结构，使其能够在恶劣外界环境中生存。这些适应性结构主要包括：I）热滞蛋白（图1b-I），能够降低组织液冰点，并在高温时期储存热量，以抵御夜间低温；II）具有高选择性离子泵功能的盐腺（图1b-II），可主动将盐离子从土壤运输至腺体表面，有效阻挡非生物污染物进入，并通过太阳能驱动的结晶过程排出多余盐分，同时产生生物电能。这些机制共同赋予了盐肤木在盐碱与寒冷环境中的显著生存优势。在此，研究人员开发了一种受盐肤木启发的垂直分级结构（RVHS），用于实现太阳能驱动的全天候淡水提取、清洁盐回收与自生电能联产（图1c）。RVHS结构主要包括两个功能模块：相变层与光吸收层。其中，相变层由石蜡填充碳纤维构成；光吸收器则选用浒苔衍生的生物炭作为主要功能材料，该材料具备宽带光吸收特性、优异的污染物去除能力、高表面电位以及碳负性等优势。类似于盐肤木中热滞蛋白的保温机制，PC层能够在光照期间储存热能，并在无光照条件下释放热能，从而实现在波动太阳辐射环境下的全天候稳定蒸发（图1d-I）。同时，RVHS通过水伏效应与盐扩散效应的协同作用，实现了同步发电（图1d-II）。进一步地，借鉴盐肤木盐腺的高选择性排盐与污染物阻隔机制，利用浒苔源活性生物炭作为污染物捕获陷阱，并结合定制的单向流动设计，确保了在盐结晶过程中有效阻隔污染物，从而获得清洁盐产品（图1d-III, IV）。
图1 RVHS的设计灵感
RVHS 在 1 sun下表现出 2.01 kg m-2 h-1的高蒸发速率，是纯水的 5.4 倍。为评估其全天候蒸发性能，研究人员在相同光照条件下将RVHS与传统光热蒸发器 (TPE) 进行了对比。在光照停止后的前10分钟内，TPE的蒸发速率较低，约为0.59 kg m-2 h-1，而RVH则维持了较高的蒸发速率，约为1.21 kg m-2 h-1。户外实验表明：RVHS 装置白天和夜间的产水量分别为5.07和2.04 kg m-2，约为TPE的1.2倍和1.8 倍。
图2 太阳能驱动的全天候海水淡化
与TPE相比，RVHS表现出了更佳的结晶性能。更先进的是，RVHS 生产的盐几乎不含任何污染物（包括抗生素、持久性有机污染物 (POP)、微塑料 (MP) 和重金属）。
图3 太阳能驱动的全天候清洁盐生产
随着太阳通量从0 sun增加到 1.5 sun，RVHS 的开路电压从0.18上升到 0.68 V，而短路电流从2.8增加到15.6 μA。光照下输出性能的增强可归因于局部场的相互作用，包括浓度、温度和流场。在1 sun下，流场、浓度场、温度场对RVHS增强的输出性能贡献分别为21.0%、22.6%、56.4%。
图4 太阳能驱动的全天候电力生产
最后，在蒸发速率方面，二维蒸发结构证实了RVHS的全天候蒸发能力。通过集成储能模块，三维RVHS可以实现更高的蒸发速率。之前的研究表明，传统太阳能蒸发器产生的蒸馏水中可能包含一些新污染物，例如 MPs。相比之下，在污染物陷阱的作用下，RVHS可以生产不含MPs的清洁水。因此，建议对蒸馏水中污染物的成分和含量进行全面的调查。需要强调的是，与产水速率相比，水质对于实际应用更为重要。对于盐的生产，盐的质量需要格外强调。虽然报道的太阳能蒸发器在高盐废水的零液体排放 (ZLD) 方面取得了重大进展，但结晶盐中的污染物残留问题却在很大程度上被忽略了。除生物碳外，其他各种吸附剂也可用于制造RVHS，可实现类似的清洁盐生产效果。在电力收集方面，双模块集成的协同作用可以显著增强水伏材料的发电性能，并实现 42.4% 的最大输出增益。
图5 讨论与展望
原文链接： https://doi.org/10.1002%2Fadma.202506762
