科學通報 | 界面光熱綠色蒸汽驅(qū)動低碳創(chuàng)新

在“雙碳”目標指引下，尋找可持續(xù)、低碳、高效的資源獲取方式，成為全球科技創(chuàng)新的關(guān)鍵方向。近日，南京大學朱嘉教授、宋琰助理教授團隊撰寫的評述文章“界面光熱綠色蒸汽驅(qū)動低碳創(chuàng)新”發(fā)表于《科學通報》“雙清論壇專欄”，系統(tǒng)梳理了綠色蒸汽在能源、資源、水、農(nóng)業(yè)與健康等領(lǐng)域的最新研究進展，并提出了綠色蒸汽作為“低碳基礎(chǔ)設(shè)施”的創(chuàng)新發(fā)展路徑。

界面光熱：綠色蒸汽的高效生成路徑

太陽能界面蒸發(fā)技術(shù)是一種通過將光熱轉(zhuǎn)換過程局域在氣-液界面實現(xiàn)高效蒸發(fā)的新興手段。相較于傳統(tǒng)體相加熱，其具備能量集中、熱損少、操作簡便等優(yōu)勢。在自然光照條件下，其太陽能-蒸汽轉(zhuǎn)換效率可達92.5%，已接近熱力學極限。

這一過程所生成的蒸汽，被稱為“綠色蒸汽”——其以太陽能為唯一驅(qū)動力，具備零碳排、無污染、易部署的特點，已在水處理、農(nóng)業(yè)灌溉、醫(yī)療滅菌、資源提取、能源生產(chǎn)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。

技術(shù)進展：從“凈水”到“資源協(xié)同獲取”

本篇評述指出，綠色蒸汽技術(shù)已從最初的太陽能凈水，拓展至“水-電-食物-能源”多領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展。在飲用水制備方面，研究者開發(fā)了從單級、倒置式到多級蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)，并引入光熱膜分離、自然氣流驅(qū)動與仿生結(jié)構(gòu)等創(chuàng)新手段，顯著提升了產(chǎn)水效率與應(yīng)用場景的靈活性。在農(nóng)業(yè)灌溉方面，綠色蒸汽為淡水匱乏地區(qū)帶來食物解決方案，且對水質(zhì)要求較低的農(nóng)業(yè)用水場景極具適配性。文章還介紹了光譜協(xié)同利用策略——將可見光用于植物光合，紅外光用于蒸發(fā)產(chǎn)水，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)用地和太陽能的“雙重利用”。在清潔能源生產(chǎn)方面，綠色蒸汽可與熱電、熱電化學、電池儲能或光伏等模塊集成，構(gòu)建水-電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。在醫(yī)療健康方面，綠色蒸汽高溫特性使其可用于高效滅菌，尤其在無電力接入的偏遠地區(qū)具有重要意義。研究團隊還探討了光熱-催化或金屬離子協(xié)同殺菌的新策略。在資源開發(fā)領(lǐng)域，綠色蒸汽能夠驅(qū)動納濾、吸附等過程，為鹽湖提鋰、海水提鈾等提供綠色解決方案。

發(fā)展展望：“綠色蒸汽+”的多能協(xié)同新范式

面對系統(tǒng)能效低、空間利用率不高、基礎(chǔ)設(shè)施復雜等挑戰(zhàn)，研究團隊提出了“綠色蒸汽+”多能協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略，倡導將綠色蒸汽與光伏發(fā)電、儲能、碳捕集、風能利用等技術(shù)集成，實現(xiàn)：

1.光譜協(xié)同調(diào)控：全波段高效利用太陽能；

2.多能耦合聯(lián)產(chǎn)：淡水、能源、作物等協(xié)同輸出；

3.分布式低碳系統(tǒng)：適應(yīng)不同場景的模塊化設(shè)計。

這不僅提升了太陽能的綜合利用效率，也為全球綠色低碳發(fā)展提供了可推廣、可落地的解決方案。

研究團隊與支持

本評述由南京大學趙鑫如研究生、宋琰助理教授與朱嘉教授合作完成。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、關(guān)鍵地球物質(zhì)循環(huán)前沿科學中心'GeoX'交叉項目、江蘇省自然科學基金資助的支持。

文章信息

趙鑫如,宋琰*,朱嘉*. 界面光熱綠色蒸汽驅(qū)動低碳創(chuàng)新. 科學通報, 2026, 71: 182–199.

doi: 10.1360/CSB-2025-0669

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