01 【科学背景】
快速工业化与人口增长已导致全球超过30%的人口面临淡水短缺问题。传统海水淡化技术不仅依赖化石燃料，还会产生大量破坏海洋生态的浓盐水，进一步加剧水资源危机与环境污染。尽管太阳能驱动蒸发技术因具备可持续性优势而备受关注，但在处理高盐度盐水时，蒸发器表面盐分结晶会严重阻碍光吸收、传质和蒸汽释放，导致设备性能下降甚至失效，难以长期高效运行。现有排盐策略存在显著局限性：一方面受限于马兰戈尼效应的强度与方向不一致，另一方面虽可诱导盐分在边缘结晶，却难以实现自动脱落，仍需依赖频繁人工清理，难以兼顾高效蒸发与自动集盐的目标。因此，开发具备稳定高效蒸发和盐分自动收集的新型蒸发器，成为突破当前技术瓶颈、同时缓解淡水短缺与盐水污染问题，并推动联合国可持续发展目标落地的关键。
02 【成果简介】
针对以上挑战，山东第一医科大学李晨蔚教授团队受冬季树叶边缘因低温快速形成冰晶的自然现象启发，开发出一种仿树木结构的生物仿生蒸发器（TBE），可在处理高盐度盐水时实现高效稳定的蒸发与自动集盐，从而实现水盐彻底分离。该蒸发器采用精心设计的仿生叶片结构，能够促进由溶质梯度和热梯度共同驱动的同向马兰戈尼流，显著提升盐水运输效率，同时减少结晶盐与蒸发表面的接触面积，使盐晶在重力作用下自动脱落，从而保障了系统的长期稳定运行。在20-24 wt%盐水条件下进行的48小时1个太阳光照测试中，TBE展现出高达3.77-5.85 kg m-2 h-1的极高蒸发速率和0.45-0.91 kg m-2 h-1的盐收集速率。在使用23 wt%盐水进行的一周连续蒸发测试中，TBE依然保持了6.29 kg m-2 h-1的稳定蒸发速率、94.6%的自动脱盐率以及1.08 kg m-2 h-1的盐收集速率，成功实现了海水淡化过程中的零液体排放。此外，在户外测试中，TBE的淡水生产速率达到4.30 kg m-2 h-1，集盐速率为0.45 kg m-2 h-1。该创新策略有效打破了高效蒸发与盐积累之间的长期矛盾，通过融合仿生材料科学与环境工程，利用低成本、广泛可得的材料和可扩展的简单制造工艺，提出了一种面向下一代太阳能蒸发系统的新方案。该方法可实现连续海水淡化和高盐废水的零液体排放处理，为大规模实际应用开辟了新路径，并为先进蒸发器设计提供了关键思路，是朝着联合国可持续发展目标SDG 6（清洁饮水）与SDG 14（水下生物）迈出的重要一步。
03 【文章简介】
2025年7月24日，山东第一医科大学李晨蔚教授团队在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》在线发表了题为“Tree-inspired 3D Biomimetic Evaporator for Efficient Solar Desalination and Automated Salt Collection with Zero Liquid Discharge”的研究论文。山东第一医科大学丁美春副教授和2023级硕士研究生段振营为论文第一作者，李晨蔚教授与丁美春副教授为共同通讯作者。
04 【图文解析】
图1. TBE的结构设计与其在定向盐结晶和自动集盐中的应用。
（a）传统蒸发器容易在表面形成致密盐壳，导致水蒸气释放受阻、盐水传输受限。
（b）冬季叶片边缘因结构较薄而快速冷却，水蒸气在边缘处凝结成冰晶的实拍图像。
（c）TBE结构示意图，其中央树干状结构外围环绕着仿生叶片状结构，可促进由溶质梯度与热梯度共同驱动的同向马兰戈尼流，实现盐分在叶片表面的定向结晶。
（d）在1个太阳照度下，TBE在23 wt%盐水中进行连续一周脱盐测试时的蒸发速率变化曲线及对应实验照片。
图2. TBE的制备与表征。
（a–c）TBE的逐步制备流程示意图：通过切割、喷涂、光还原和组装，将MFF转化为TBE结构。
（d）MFF和（e）RGO/CNCs@MFF的扫描电子显微镜（SEM）图像。
（f）RGO/CNCs@MFF的紫外-可见-近红外（UV-vis-NIR）吸收光谱，以及AM 1.5 G标准太阳光谱对比。
（g）MFF与RGO/CNCs@MFF在有/无1个太阳照度条件下的红外热成像图。
（h）TBE中叶片状结构实现径向输水的示意图。
图3. TBE在1个太阳照度条件下的太阳能脱盐性能。
（a）CE和TBE在处理20 wt.%盐水时的质量随时间变化曲线。
（b）TBE在干燥状态下于1个太阳照度下的红外热成像图像。
（c, d）CE和TBE在平衡状态下漂浮于水面，在1个太阳照度下的红外图像对比。
（e）CE在20 wt.%盐水中连续48小时测试过程中的实物图像和红外热成像图。
（f）CE和TBE在48小时测试期间的平均侧面温度对比。
（g）示意图展示CE表面盐分积聚，阻碍光吸收、盐水传输和蒸汽释放的过程。
（h）TBE在20 wt.%盐水中连续48小时测试过程中的实物图像和红外热成像图。
（i）在连续48小时的三组平行实验中，CE与TBE在1个太阳照度下处理20 wt.%盐水时的平均蒸发速率对比。
（j）示意图展示协同的溶质梯度与热梯度驱动马兰戈尼流，将盐水从树干状结构输送至叶片状结构，促进盐分在叶片表面的定向结晶与自动脱落。
（k）TBE在连续太阳能脱盐过程中，叶片状结构上盐晶生长的实拍图像。结晶与溶解之间的动态平衡促使盐分向叶片尖端迁移并积聚。
（l）TBE在连续脱盐过程中叶片上盐晶自动脱落的实拍图与示意图。叶片结构最大限度减少盐晶与蒸发界面的接触面积，并增强径向盐水输运，实现盐晶的自动分离。
（m, n）TBE中水流速分布与盐度分布的数值模拟结果。
图4. TBE的结构优化与性能评估。
（a）TBE (1×6)、TBE (1.5×6) 和 TBE (2×6) 的俯视结构示意图。
（b）三种TBE结构在20 wt.%、23 wt.% 和 24 wt.% 盐水中连续工作48小时后的实物图像。
（c）基于连续48小时的三组平行实验，TBE (1×6)、TBE (1.5×6) 和 TBE (2×6) 在1个太阳照度下处理不同浓度盐水时的平均蒸发速率对比。
（d）连续脱盐测试后，三种TBE结构的自动脱盐率对比。
（e）树干状结构增强盐水的扩散与对流输运，叶片状结构则促进定向盐结晶，有效降低蒸发界面盐度积聚。
（f）TBE (1×3)、TBE (1×6) 和 TBE (1×9) 的俯视结构示意图。
（g）三种结构的TBE在20 wt.%盐水中连续48小时运行后的实物图像。
（h）TBE (1×6,9)、TBE (1.5×6,9,12) 和 TBE (2×6,9,12) 在不同浓度盐水中进行48小时连续脱盐测试后的蒸发速率与自动脱盐率。
（i）TBE (1×9)、TBE (1.5×6) 和 TBE (2×6) 与其他类型太阳能蒸发器在综合脱盐性能方面的对比分析。
（j）TBE (1×9)、TBE (1.5×6) 和 TBE (2×6) 与其他太阳能蒸发器在集盐性能方面的比较。
图5. TBE的长期脱盐性能、户外太阳能脱盐测试与水净化效果评估。
（a）TBE (1.5×6) 在1个太阳照度下处理23 wt.% 盐水，连续运行7天期间的蒸发速率变化及对应照片。
（b）基于TBE构建的脱盐装置在户外测试前后的实物图像。
（c）户外测试期间的环境条件（温度与自然光强），以及对应的淡水产率和集盐速率。
（d）7月1日至7日的连续户外测试期间，淡水产率及环境条件（平均温度与相对湿度）的变化。
（e）基于TBE的三维组装结构实物图。
（f）TBE与TBE三维组装结构在20 wt.%盐水中的淡水产率表现，并与已报道的太阳能蒸发器进行对比分析。
（g）太阳能脱盐前后，20 wt.% 盐水中Na⁺浓度的测定结果。
（h）医疗废水中五种主要离子的浓度变化，对比太阳能脱盐前后情况。
（i）TBE用于净化细菌污染水前后的水样外观对比图。
文章信息：
Meichun Ding,1* Zhenying Duan,1 Demin Zhao, Chen-Yang Liu, Chenwei Li*. Tree-Inspired 3D Biomimetic Evaporator for Efficient Solar Desalination and Automated Salt Collection with Zero Liquid Discharge. Advanced Functional Materials, 2025
全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202512220
通讯作者简介：
李晨蔚，泰山学者青年专家，济南C类人才（省级领军），山东第一医科大学教授、博士生导师。2016年在中国科学院化学研究所取得博士学位，师从刘琛阳研究员。2021年加入山东第一医科大学，并组建“石墨烯功能复合材料”研究团队。近年来，主持国家自然科学基金等各类科研项目9项。以第一作者或通讯作者在Science Bulletin、Advanced Materials等国际知名期刊上发表SCI论文40余篇，其中ESI热点论文2篇，ESI高被引论文7篇，总被引次数2300余次，H指数为25。授权专利4项。曾获得山东省材料科技成果二等奖（第一完成人）、于金明科研创新奖等多项荣誉。目前担任Exploration 期刊学术编委，以及Carbon Energy、Nano-Micro Letters、Nano Materials Science、Carbon Neutralization、Green Carbon等期刊的青年编委。
丁美春，硕士生导师，山东第一医科大学化学与制药工程学院副教授。2015年7月获中国科学院化学研究所博士学位，师从张军研究员。2021年9月加入山东第一医科大学，并加入“石墨烯功能复合材料”研究团队。研究方向包括太阳能界面蒸发器的制备与应用、生物质水凝胶的制备及其在生物医用中的应用。以第一作者或通讯作者在Science Bulletin、Advanced Science、Carbon Energy、Carbohydrate Polymers等期刊发表高水平SCI论文20余篇，并获得授权发明专利2项。曾获得山东省材料科技成果奖（二等奖；第一完成人）。
