水覆盖了地球表面约71%的面积，但在全球许多地区，尤其是全球南方偏远地区及欠发达地区，清洁饮用水短缺仍是长期面临的挑战。从公共卫生角度看，长期引用受到盐分、沉积物、颗粒物、病原体或重金属污染的水，可能带来持续的健康风险。在多种淡水生产技术中，太阳能界面水蒸发技术（SVG）是一种颇具前景的水净化途径，通过将太阳能转化为热能，实现不同水源的蒸发与净化。提升蒸发速率的核心在于太阳能蒸发器的合理设计，理想的蒸发器需要兼具高效光吸收、顺畅的内部水输运通道以及良好的热管理能力。

  2026年10月14日，德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授和东北林业大学的陈文帅教授联合开发了一种高等植物衍生的太阳能蒸发器，由炭黑（CB）涂覆的超薄木片、纳米纤维素气凝胶和垂直排列的麦秸秆协同构建，充分发挥植物材料的天然结构优势。该构型在内部框架构建了低曲折度的水输运通道，并在顶部实现高效界面蒸发。在1个标准太阳光照强度下，该蒸发器的蒸发速率达到了3.2 kg m^-2 h^-1。在户外0.5~0.9个太阳的光照强度下，从海水中获得的单日淡水收集量最高达到10.9 kg m?2。得益于原料易获取且可再生、制备成本较低以及良好的水净化表现，这一太阳能蒸发器在实际应用方面展现出广阔前景。

  相关成果以“Sustainable Solar Water Purification: Exploring the Structural Advantages of Higher Plants”为题发表于Science Advances。文章第一作者为韩雪、雷楚昕、苗明月，文章通讯作者为余桂华、陈文帅，文章通讯单位为德克萨斯大学奥斯汀分校、东北林业大学。

  受高等植物在长期进化中形成的精细层级结构启发，研究团队提出了“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进行耦合集成，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（涂覆CB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。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。

图1. 植物材料衍生太阳能蒸发器的组装示意图

  为充分发挥高等植物在不同尺度上的结构优势，研究团队将多种植物衍生材料进行层级组装，构建出由底部延伸至顶部的垂直取向输水通道。各组分在结构与功能上相互配合，缩短水的输运路径，促进持续供水与快速界面蒸发。

图2. CWSN-E的制备与结构

  CWSN-E的制备方式为将麦秸秆垂直紧密堆叠，浇注纳米纤维素悬浮液填充其空腔，冷冻干燥后形成纳米纤维素气凝胶与麦秸秆的复合结构，最后将涂覆CB的超薄木片覆盖于复合结构表面，组装成CWSN-E。超薄木片含大量定向贯穿孔道，几乎透明，有利于水快速通过并缩短传输路径。麦秸秆具有管状结构和毫米级空腔，管壁厚约0.024 cm。纳米纤维素气凝胶填充麦秸秆空腔及间隙，形成自支撑块体。CWSN-E的标样为圆柱形，重约0.95 g，直径5.5 cm，高0.5 cm。在CWSN-E中纳米纤维素气凝胶充当毛细泵，将水向上抽吸到光热层，而垂直排列的麦秆提供空间限制，从而缩短传输距离，为快速垂直供水创造低曲折度路径。对于光热转换单元，带有穿孔的超薄木片作为CB的基底，实现高效光热转换和快速水蒸发。在太阳照射下，这种集成设计确保水通过低曲折度路径快速的蒸发，以利于可持续的收集清洁淡水。

图3. 性能比较

  CB的引入使超薄木片在463~2500 nm波长范围内的光吸收率达到约94%。水滴在重力作用下可快速穿过涂覆炭黑的木片。麦秸秆/纳米纤维素气凝胶复合体（SN-E）的垂直水输运速率达到15.2 cm min?1，是纳米纤维素气凝胶的5.5倍。将样品旋转90°后，纳米纤维素气凝胶的横向水输运速率（5.0 cm min?1）明显高于SN-E（1.7 cm min?1）。这表明麦秸秆管壁能够限制水的横向迁移，促使其沿垂直方向快速输运。流体模拟进一步表明，垂直限域通道能够缩短水流路径、提高输运速度。

图4. 1个太阳下的太阳能蒸汽蒸发

  CWSN-E的蒸发速率最高达3.2 kg m^-2 h^-1。CWSN-E实现高蒸发速率的机制可归纳为三方面：一是热局域化；二是定向连续通道实现高效水传输；三是亲水网络与限域效应降低水的汽化潜热。水合纤维素网络调节了局部水状态，通过簇状水合单元促进水参与蒸汽生成。SN-E的热导率为0.0359 W m^-1 K^-1（25 °C），有效抑制向下的热传递，使热量集中于蒸发表面附近。

图5. 户外蒸发与综合性能分析

  研究团队在哈尔滨开展了为期75天的连续户外实验，将装配CWSN-E的自制太阳能蒸发装置置于楼顶露台，分别进行海水淡化和含泥沙河水净化。在75天的测试期间，收集的淡水保持清澈，未检出微生物污染；所测镁、钠、钙、钾等离子浓度及盐度低于论文所采用的WHO和EPA饮用水相关限值。除海水淡化外，该装置也可净化含泥沙河水，相关检测指标符合GB 5749-2006生活饮用水卫生标准。综合蒸发性能与成本分析，CWSN-E相较于研究中对比的多类金属基、碳基、聚合物基和生物质基蒸发器表现出良好的成本效益。

  本研究展示了一种由多种植物衍生材料构建的可持续、可扩展的太阳能蒸发器，验证了其在太阳照射下从海水和脏水中持续生产清洁水的能力。蒸发器的高效率主要归因于涂覆CB超薄木片、纳米纤维素气凝胶和垂直排列麦秸秆的有效利用与层级组装，各组分协同实现了光吸收、热管理和水传输管理在单一器件上的集成。在1个太阳光照下器件的蒸发速率达3.2 kg m^-2 h^-1。蒸发器的原料为易获取、易加工、低碳的植物材料，制备工艺简单，易于推广，适合偏远和欠发达地区清洁水稀缺人群使用。这项工作不仅推动了利用植物资源开发高性价比的太阳能蒸发器，也展示了天然材料在解决水、环境和可持续性问题方面的巨大潜力。

  原文链接https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeh3059

作者介绍

余桂华，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。余桂华教授团队的研究重点是新型功能化纳米材料的精确设计和绿色合成，尤其是对能源和环境凝胶材料的开创性研究，对其化学和物理性质的表征和探索，以及推广其在能源，环境和生命科学领域展现重要的技术应用。目前已在Science, Nature, Nature Reviews Materials, Nature Reviews Chemistry, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Energy, Nature Electronics, Nature Biomedical Engineering, Nature Synthesis, Nature Catalysis, Nature Sustainability, Nature Water,等国际著名刊物上发表论文300余篇，论文引用~ 142000次，H-index 222，是在材料科学和化学两个学科的全球Top 0.1%高被引研究学者。现任ACS Materials Letters执行主编，也是二十余个国际著名化学和材料类科学期刊的顾问编委。

陈文帅，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、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做出一系列创新性研究工作。在Nature Sustainability、Nature Water、Science Advances、Nature Communications等期刊发表研究论文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、出版英文书章1部。获2023 Energies Award、Wiley Star Scientist Award入围奖、梁希林业科学技术奖自然科学二等奖、中国林业青年科技奖、黑龙江省青年科技奖、中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖、智能材料与结构青年科技奖、黑龙江省高校教师教学创新大赛二等奖、霍英东教育基金会高等院校青年教师基金等奖励。全国高校黄大年式教师团队、全国工人先锋号团队、黑龙江省头雁团队骨干成员。担任Science Bulletin特邀编委、SusMat学术编辑。

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