CEJ綜述：太陽能驅動的界面蒸發實現水凈化、能源生產和高價值資源回收的協同集成

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研究背景

全球淡水短缺、能源結構持續轉型以及關鍵金屬資源日益匱乏，構成了相互交織、互為加劇的系統性風險。迫切需要開發能夠在極低外部能量輸入下，同時實現淡水生產、清潔能源生成和資源回收三重目標的支撐系統。SDIE技術通過將光熱轉換精確限制在氣-液界面，較傳統整體加熱方式顯著降低了能耗。隨著研究的深入，SDIE正經歷從單一的“水處理技術”向“能量-物質協同利用平臺”的方向性轉變。界面蒸發過程產生的溫度梯度、濃度極化和電化學電勢差，營造了一個多場耦合環境，使系統進化為集產水、產電、產氫以及戰略資源回收于一體的多功能集成平臺。本綜述旨在提供清晰的知識圖譜和深度的戰略思考，促進SDIE從一項高效技術向可持續、閉環的“水-能源-資源”系統解決方案演進。

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圖文導讀

基于Citespace的SDIE可視化分析

圖1. (a)SDIE協同作用產生清潔能源年度出版物的數量。(b)SDIE協作提取高價值資源年度出版物數量。（c）基于CiteSpace生成的關鍵詞共現圖。（d）基于CiteSpace生成的關鍵詞聚類圖。

從時間演化來看，SDIE的研究重心經歷了從早期（2016-2018年）關注基礎熱傳遞和材料設計的海水淡化階段，到中期（2019年后）向集成化功能發展的轉型，再到2021年后涌現出水電聯產、光熱催化及資源回收等新興熱點，反映出該技術正從單一的脫鹽應用向產水、產能在內的多功能協同平臺轉變。雖然光熱材料與蒸發性能研究已取得顯著進展，但針對多功能系統長期穩定性、工程化應用及性能權衡（Trade-offs）的研究仍處于早期階段。

SDIE協同水電熱電聯產

圖2.（a）通過熱電效應實現產水發電的原理及SAWH-TEPG水電熱電聯產機組原理圖。（b）SDIE實現的開放式熱電化學系統的原理。（c）自驅動摩擦電納米發電機的工作原理。（d）水生伏打效應發電原理示意圖及所設計的串聯式太陽能水力發電用三維非對稱蒸發器。(e)白天蒸發太陽能，夜間利用鹽度梯度發電的晝夜水電熱電聯產協同系統。（f）利用鹽度梯度發電原理設計的蒸發效率監測裝置示意圖。

圖3.（a）結合光伏電池（PV）和膜蒸餾（MD）的浮式水電熱電聯產系統（PV-MD）的示意圖和數字照片，以及在大面積集成設備中集成太陽能轉換和存儲功能，實現全天候不間斷運行。（b）淡水和電力同步生產原型裝置示意圖和實物照片，以及單次日照下不同風速質量隨時間函數的變化曲線。（c）室外太陽能驅動蒸發大型裝置示意圖和MCS1樣品實物圖，以及8個串聯混合裝置在開燈和關燈時驅動的旋轉風扇、定時器和計算器的光學圖像。（d）不同光熱材料在單一日照下水分質量的變化曲線、表面溫度與時間的關系以及輸出電壓。

圖4.（a）集光裝置光熱熱電轉換實驗裝置圖及熱電效應裝置示意圖。（b）不同太陽光照強度下CNT水凝膠熱發生器和輸出功率示意圖。（c）不同太陽輻射強度下發電和蒸汽發生裝置及相應開路電壓的實物照片。（d）室外水電熱電聯產機組分布圖、相應蒸發率性能、發電性能。（e）梯度織物的物理照片，相應的水分蒸發率，以及梯度Co-S/PAA-棉織物的開路電壓（VOC）和短路電流（ISC）。

在SDIE協同水電熱電聯產方面，SDIE發電的核心原理在于利用光熱材料將太陽能高效局域化于氣-液界面，在驅動水相變的同時，誘導產生界面溫度梯度、濃度極化及電化學電勢差，從而通過熱電（如賽貝克效應）、機械（如摩擦電、流動電勢）和鹽差能等機制將熱能或動能轉化為電能。在裝置設計上，研究者們開發了集成熱電模塊的復合薄膜、自驅動摩擦納米發電機以及具備非對稱結構的3D蒸發器，通過引入隔熱層、親水微通道和電荷表面，實現了蒸發與產電功能的空間解耦與高效集成。目前的應用現狀顯示，該技術正從實驗室原型向小型化、多功能化集成平臺演進，雖然典型輸出密度仍處于毫瓦至瓦級規模，但在偏遠海島、沙漠及災后應急等缺乏基礎設施的場景中，已展現出同時供應淡水與低功耗電力（如驅動傳感器、通訊設備）的巨大應用潛力。

SDIE協同制氫

圖5.（a）大規模太陽能制氫示范過程。（b）兩相光催化系統的真實照片以及三相和兩相反應系統之間光催化產氫速率的比較。（c）電化學工作站裝置及光催化制氫機理示意圖和PMMA/AgNPs單循環制氫性能示意圖。（d）室外測試裝置的數碼照片、高效耦合系統（HCS）中并行淡水生產與氫氣發電的定制裝置的數碼照片，以及同時光催化制氫與海水淡化大規模演示的整體原型示意圖。（e）安裝在HSD-WE屋頂上的實驗裝置示意圖和HSD-WE裝置在室外測試期間連續生產綠色氫氣的定時圖像。

SDIE協同制氫技術利用光熱界面產生的局域限域效應，如界面高溫、高濃度梯度和低壓環境等，打破了傳統光電催化系統在大體積溶液中存在的能量散失和傳質阻力瓶頸，通過將光熱蒸發與光催化、電催化或蒸汽重整等過程耦合，實現了低碳制氫與淡水生產的雙重目標。該技術的優勢在于：一方面，界面溫升能有效降低反應活化能并改善動力學過程；另一方面，蒸發誘導的鹽分或電解質富集縮短了傳質路徑，使系統在利用海水或工業廢水等復雜水源時，展現出比單一催化系統更高的氫氣產率、更低的能耗以及卓越的抗污染能力。

SDIE助力高價值資源回收

圖6.（a）KTG用于連續鈾捕獲和太陽能蒸餾的示意圖以及KTG水凝膠在光照和黑暗條件下的吸附動力學數據。（b）KGS高效處理放射性廢水的示意圖以及在太陽光強度下處理前后吸附的Sr、Cs和U濃度的比較。（c）用于有機物降解、鈾回收和細菌消毒的自驅動光電化學系統示意圖。（d）COF@木材光熱平臺。（e）用于太陽能驅動水蒸發和光催化除鈾的光敏多功能Ni-PT-COF@wood蒸發器示意圖。（f）PCH-CMPs吸附碘機理示意圖。

SDIE技術利用氣-液界面建立的高效光熱轉換與局域濃度梯度，為海水中低濃度鈾（U）等核能金屬及放射性碘（I2/I3-）等裂變產物的回收提供了一種綠色、低碳的新路徑。通過將蒸發過程中的界面熱力學、光熱化學與功能化吸附材料（如含-COOH、-NH?等基團的智能DNA水凝膠）深度耦合，該系統能夠利用蒸發誘導的離子定向遷移實現放射性核素的高度選擇性富集與化學固定，顯著降低了傳統工藝對外部高能耗和化學試劑的依賴。

圖7.（a）利用S蒸發器進行淡水收集和鋰離子選擇性吸附的同步過程示意圖，大型集成樣機進行同步水收集和鋰離子吸附的物理圖。（b）BPL的運行機理、實際運行原型演示以及不同Mg2+/Li+比下BPL在1次太陽輻射下的選擇性鋰吸附性能。（c）太陽能驅動提鋰裝置示意圖和用于室外實驗的太陽能驅動提鋰系統實物圖。超親水性太陽能蒸發器促進水分蒸發，產生負壓，推動水體和鋰離子不斷向上流動。離子選擇性膜使鋰離子快速擴散，同時阻擋鎂離子。（d）近海海水提鋰實驗平臺光熱協同提鋰機理示意圖及光學照片。

SDIE助力儲能關鍵金屬回收，利用界面蒸發誘導的離子定向遷移與局部濃度極化效應，為海水及鹽湖等復雜水源中低濃度Li+資源的協同回收開辟了高效率、低能效的新路徑。

圖8.（a）用于同時界面蒸發和六價鉻吸附的PCPNC太陽能蒸發器的示意圖以及蒸發速率與吸附的六價鉻離子性能的關系圖。(b)iSTPV實現的凈水和溶質回收功能以及iSTPV與各種主流凈化技術的凈水性能對比。（c）基于KCAHs裝置的室外設備測試的實景圖片和實驗開始后一小時裝置水蒸氣凝膠的數碼照片。原水與蒸汽純凈水離子指標對比分析。

SDIE技術為解決工業廢水中的重金屬污染與資源化回收提供了一種“以日照驅動、變廢為寶”的創新方案。該系統利用界面蒸發產生的毛細動力和濃度梯度，驅動含有鉛（Pb2+）、銅（Cu2+）、鉻（Cr6+）等重金屬離子的廢水向光熱界面定向遷移，并通過在蒸發器表面修飾具有特定螯合功能的納米材料或多孔骨架，實現重金屬離子的原位捕捉與高效富集，為實現工業廢水的“零排放”與金屬循環利用提供了兼具環境效益與經濟價值的綠色途徑。

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研究總結

SDIE技術正處于從“實驗室高效蒸發”向“工業化多功能平臺”轉化的關鍵十字路口。作者強調，盡管該技術在實現水-電-氫聯產及稀有金屬定向回收方面展現了巨大潛力，但未來研究必須突破三大核心瓶頸：一是深挖微觀尺度下光-熱-質-電的多場耦合物理機制，以破解集成系統中的性能權衡難題；二是開發具備抗鹽結晶、耐腐蝕及長期結構穩定性的智能響應材料，以應對復雜真實的野外應用環境；三是借助計算流體動力學模擬與人工智能優化設計，推動系統從微型裝置向低成本、模塊化、可擴展的工程化應用演進。最終，SDIE將不僅僅是一項脫鹽技術，更將作為一種可持續的底層邏輯，為構建全球碳中和背景下的“水-能源-資源”循環生態系統提供戰略支撐。

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https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.174936