随着全球水资源短缺压力的日益增大，太阳能驱动界面蒸发（SDIE）技术凭借其可持续性和高效性，已成为海水淡化和废水处理领域的研究热点。然而，传统 SDIE 系统在实际运行中常面临蒸汽冷凝效率低、蒸汽积聚引发的光学损耗以及传质动力学缓慢等瓶颈问题 。如何通过材料结构设计与系统工程强化的协同作用，实现高通量、长效稳定的淡水制备，是当前该领域亟待解决的挑战。

近日，中国科学院过程工程研究所李玉平研究员团队构建了一种液态金属（LM）协同MXene增强的Janus结构电纺PVDF膜，并结合减压蒸发系统，实现了高效太阳能海水淡化。液态金属的引入不仅提高了膜的光吸收能力，还增强了表面热场均匀性，从而显著提升了蒸发性能。在1 sun条件下，MXene-LM-PVDF膜在减压条件下实现了高达1.90 kg m⁻² h⁻¹的蒸发速率，并表现出优异的耐盐稳定性和室外运行能力。相关成果以“Enhanced Solar-Driven Interfacial Evaporation Performance of Electrospun Janus-Structured MXene-LM-PVDF Membranes in a Reduced-Pressure System Application in Seawater Desalination”为题发表于《Chemical Engineering Journal》。

研究团队采用静电纺丝技术构筑Janus结构PVDF纳米纤维膜，并通过液态金属（LM）与MXene协同增强膜的光热转换性能。顶部疏水光热层实现高效太阳能吸收与界面蒸发，底部亲水层负责持续供水。结合减压蒸发系统后，可有效降低水蒸发焓并加快蒸汽传输，从而实现高效海水淡化。

图1：MXene-LM-PVDF Janus膜耦合减压蒸发海水淡化系统示意图。

SEM结果表明，MXene与LM均匀分布于PVDF纳米纤维网络中，形成具有较高粗糙度的多孔结构。XRD与FTIR分析进一步表明，MXene和LM的引入促进了PVDF β晶相形成，并增加了非晶区域比例，从而增强了膜内部光散射与光吸收能力。相比MXene-PVDF膜，MXene-LM-PVDF膜表现出更快的升温速率、更高的稳态表面温度以及更加均匀的表面热场。液态金属的引入不仅增强了光吸收，还改善了热量在纤维网络中的再分布行为，从而有效提升了界面蒸发效率。

图2：MXene-LM-PVDF 复合材料微观形貌与组分分析。 (a-c) SEM 图像 ；(d-f) EDS 映射图展示了 Ti (MXene)、Ga 与 In (LM) 元素的空间分布 。

图 3：MXene-LM-PVDF 复合膜光热性能。(a) 测试示意图；(b) 1 kW m⁻² 升温曲线；(c) 红外热像图 (0-120 s)；(d) 不同光强升温曲线。

针对传统系统中冷凝过程引发的光学损耗及蒸汽积聚难题，本研究设计并构建了光伏辅助的减压集成架构 。在 0.05 MPa 的负压环境下，系统通过降低汽液平衡温度并有效剥离蒸汽边界层，显著提升了水分子的界面脱离速率，从而强化了传质动力学 。同时，COMSOL 仿真结果进一步证实，减压环境维持了较低的稳态表面温度（42.4℃），使得辐射热损失与对流热损失相较于传统常压系统分别降低了 55.82% 和 41.56%，优化了系统整体能量利用效率。

图4：系统机理与仿真对比分析。 (a) 蒸发机理对比图 ；(b) 温/湿度场仿真 ；(c) 表面温度对比 ；(d) 辐射与散热损失  

实验结果表明，该集成系统在复杂的蒸发环境下展现了卓越的淡水制备能力。在质量分数为 3.5 wt% 的 NaCl 溶液中，减压系统驱动下的稳态蒸发速率达到了 1.90 kg m−2 h−1，相较于常压系统性能提升了 36% 。此外，凭借 Janus 结构特有的非对称润湿性，系统实现了水分持续供给与定向盐排斥的功能解耦，使得膜在 20 wt% 的高盐水中依然能够保持长效稳定运行，且盐截留率超过 99.99%，产水质量完全符合 WHO 饮用水标准 。户外实测显示，系统在夏季北京工况下产水率提升 40.91% ；在冬季低温弱光环境下运行稳健 。配合光伏储能可实现约 5 小时暗态蒸发，充分展现了其全天候分布式脱盐潜力 。

图 5：减压系统蒸发性能与稳定性评价。 (a) 减压测试示意图；(b) 压力对速率影响；(c) 不同膜性能对比；(d) 盐度适应性 (0-20 wt%)；(e) 长期循环稳定性；(f) 酸碱稳定性 (pH 1-13)；(g-h) 离子及重金属去除效果。

图 6：系统实际户外海水淡化性能验证。 (a) 夏季工况实测（北京，7月）；(b) 冬季及弱光环境验证（北京，12月）。

这一“材料设计+系统强化”的耦合策略，成功克服了传统界面蒸发系统中冷凝受阻与光学损耗的难题 。通过电纺 Janus 膜与减压环境的协同作用，系统不仅实现了高通量的淡水回收，更在面对冬季极端低温及强酸碱环境时表现出极强的韧性 。这种不依赖电网、可灵活部署的自供能淡水制备方案，有望为野外科考、灾后救援等分布式供水场景提供可靠的技术支撑 。总而言之，这一从材料微观构筑到系统宏观强化的全链条创新，为实现高效、可持续及规模化的太阳能驱动脱盐技术提供了切实可行的技术演进路径。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.176918  

人物简介：

李玉平，中国科学院过程工程研究所研究员，博士生导师，国家能源高效清洁炼焦技术重点实验室副主任，北京市过程污染控制工程技术中心副主任，中国科学院大学岗位教授。主要从事绿色低碳环保功能性材料研究与产业化应用，相关成果获2018年国家科技进步奖二等奖和2024年度环境技术进步一等奖等省部级一等奖5项。授权发明专利70余项，50多项专利得到产业化应用，创造利税数百亿元，主持编写工程技术规范和指南等国家标准3项。