01 【科学背景】
地球表面71%被水覆盖，但97%为海水，仅约1%是可直接利用的淡水。人口快速增长、工业化加速与极端干旱频发，正加剧全球水资源短缺，每年影响三分之二的人口，直接挑战联合国可持续发展目标SDG 6（清洁饮水与卫生设施）的实现。传统海水淡化技术（如反渗透、膜蒸馏）每年产生数亿吨浓盐水，多数直接排入海洋，既严重威胁海洋生物多样性、违背SDG 14（水下生物）目标，又浪费了浓盐水中的宝贵矿物资源。太阳能驱动界面蒸发技术因净化效率高、可处理高盐度盐水、碳排放低等优势，成为极具潜力的可持续解决方案。但连续脱盐过程中，蒸发器表面的盐结晶会严重阻碍光吸收、盐水传输和蒸汽释放，导致蒸发效率骤降和设备长期稳定性恶化。现有抗盐策略中，被动排盐会引发二次结晶且忽视盐资源价值，盐定位策略则需频繁人工清理盐晶。因此，开发兼具高效蒸发、定向盐结晶和自动盐收集的新型蒸发器，成为突破太阳能海水淡化规模化应用瓶颈的关键。
02 【成果简介】
针对上述挑战，山东第一医科大学李晨蔚教授团队提出了从“被动抗盐”到“主动收盐”的全新设计范式，开发出一种模块化梯度多孔网络（GPN）蒸发器，实现了高盐度盐水的高效稳定蒸发与全自动盐收获，构建了浓盐水资源化利用的循环经济模式。该蒸发器创新性地集成了三个功能耦合又结构独立的模块：具有凹凸结构的光热模块通过多次光反射实现98%以上的宽光谱吸收并减少热损失；梯度多孔传输模块驱动径向盐水持续流动；盐管理模块则实现盐分的定向结晶与重力驱动自动脱落。在23 wt%盐水、1个太阳光照下的168小时连续测试中，GPN展现出4.03 kg m-2 h-1的稳定蒸发速率、0.32 kg m-2 h-1的盐收集速率和高达95.6%的自动脱盐率，成功实现零液体排放。户外实际测试中，GPN的淡水生产速率达到3.35 kg m-2 h-1，集盐速率为0.26 kg m-2 h-1，性能优于绝大多数已报道的单级太阳能脱盐装置。尤为重要的是，该模块化设计具有极强的兼容性，可适配聚吡咯（PPy）、炭黑/聚乙烯醇（CB/PVA）、氧化石墨烯/MXene等多种光热材料，无需重新设计系统即可通过更换光热模块实现性能升级。该研究不仅彻底打破了高效蒸发与盐积累之间的长期矛盾，还实现了浓盐从“废弃物”到“资源”的转变，为沿海地区解决浓盐水排放难题、缺水地区获取清洁淡水提供了可扩展、低成本的解决方案，有力推动了联合国可持续发展目标SDG6与SDG14的协同实现。
03 【文章简介】
2025年11月27日，山东第一医科大学李晨蔚教授团队在环境科学领域国际顶级期刊《Water Research》在线发表了题为“Modular gradient-porous evaporator for efficient solar desalination and autonomous salt harvesting from high-salinity brine”的研究论文。山东第一医科大学丁美春副教授为论文第一作者，李晨蔚教授为通讯作者。
04 【图文解析】
图1. GPN的模块化设计与其在定向盐结晶和自动集盐中的应用。
（a）GPN的模块化结构示意图：凹凸结构光热模块通过多次反射增强太阳能吸收并减少热损失；梯度多孔传输模块促进径向盐水流动，诱导盐分在盐管理模块定向结晶；连续的盐水流动保持盐晶基底湿润以降低附着力，盐晶侧向生长增加质量和力臂，产生更大扭矩，最终实现重力驱动的自动脱落。
（b）在1个太阳照度下，GPN在23 wt%盐水中进行连续168小时脱盐测试时的蒸发速率变化曲线及对应实验照片。
图2. 模块化GPN的制备与表征。
（a）模块化GPN的制备流程示意图。通过构建凹凸结构与梯度多孔结构，并引入光热材料，将三聚氰胺泡沫（MF）转化为模块化GPN。
（b-d）梯度多孔MF膜左、中、右区域的扫描电子显微镜（SEM）图像；
（e-g）RGO/CNCs/MF膜对应区域的SEM图像，证明了梯度多孔结构的存在，孔径范围约为20 μm至150 μm。
（h）氧化石墨烯（GO）与还原氧化石墨烯（RGO）的X射线衍射（XRD）谱图；
（i）GO与RGO的X射线光电子能谱（XPS）谱图。
（j）RGO/CNCs/MF和GPN的紫外-可见-近红外（UV-vis-NIR）吸收光谱，以及空气质量1.5全球（AM 1.5 G）倾斜太阳光谱。
（k）示意图展示GPN凹凸结构对太阳光的多次反射与吸收效应。
（l）空气环境中，有无1个太阳光照条件下MF和GPN的红外热成像图。
（m）GPN的接触角测试结果表明其具有优异的亲水性。
图3. GPN在1个太阳照度条件下的太阳能脱盐性能。
（a）传统蒸发器在23 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。
（b）GPN在23 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。
（c）传统蒸发器与GPN在48小时测试期间的平均侧面温度对比。
（d）传统蒸发器与GPN在48小时测试期间的平均蒸发速率对比。
（e）传统蒸发器与GPN的自动脱盐率对比。
（f）示意图展示GPN光热模块的凹凸结构增强太阳能吸收的过程。
（g）示意图展示GPN传输模块的梯度多孔结构驱动径向盐水输运，促进盐分在盐管理模块定向结晶的过程。
（h）示意图展示盐晶侧向生长增加扭矩，同时径向盐水流动降低附着力，实现重力驱动自动脱落的机制。
（i）GPN在连续太阳能脱盐过程中，盐管理模块上盐晶生长的实拍图像。
（j）GPN在连续脱盐过程中盐晶自动脱落的实拍图。
（k–m）GPN中温度分布、水流速分布与盐度分布的COMSOL数值模拟结果。
图4. GPN的结构优化与性能评估。
（a）GPN-1、GPN-2和GPN-3（凹凸高度分别为0、2、3 mm）在23 wt%盐水中连续48小时的平均蒸发速率对比。
（b）GPN-2、GPN-4和GPN-5（梯度孔径范围分别为20–150、20–80、100–150 μm）在23 wt%盐水中连续48小时的平均蒸发速率对比。
（c）GPN-6、GPN-2和GPN-7（高度分别为1、3、5 cm）在23 wt%盐水中连续48小时的平均蒸发速率对比。
（d–f）分别采用PPy、CB/PVA和GO/MXene作为光热材料的GPN在23 wt%盐水中连续48小时的蒸发速率、自动脱盐率及对应实物图像。
（g）GPN在23 wt%盐水中连续168小时测试的蒸发速率、自动脱盐率及对应实物图像。
（h）GPN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。
（i）GPN与其他太阳能蒸发器在集盐性能方面的比较。
图5. GPN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–b）基于GPN构建的脱盐装置在2024年10月1日户外测试前后的实物图像。
（c）户外测试收集的淡水与盐的实物图像。
（d）2024年10月1日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。
（e）2024年10月1日至7日连续户外测试期间的淡水产率及环境条件变化。
（f）GPN与已报道的太阳能蒸发器在户外淡水生产性能方面的对比分析。
（g）太阳能脱盐前后，23 wt%盐水中Na⁺浓度的测定结果。
（h）青岛黄海实际海水脱盐前后主要离子浓度的测定结果。
（i）医疗废水中五种主要重金属离子的浓度变化，对比太阳能脱盐前后情况。
（j）染料废水（罗丹明B和亚甲基蓝）脱盐前后的紫外-可见光谱及水样外观对比。
（k）尿液废水脱盐前后主要离子浓度的测定结果。
（l）GPN用于净化细菌污染水前后的琼脂平板培养结果对比。
文章信息：
Meichun Ding, Zhenying Duan, Liyun Zhang, Chen-Yang Liu, Chenwei Li*, Jun Zhang. Modular gradient-porous evaporator for efficient solar desalination and autonomous salt harvesting from high-salinity brine. Water Research, 2026, 290: 125053.
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.125053
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、高被引论文15篇，H指数为30。授权专利6项。入选科睿唯安“全球高被引科学家”，获得山东省材料科技成果二等奖（第一完成人）等多项荣誉。目前担任Exploration 期刊学术编委，以及Carbon Energy、Nano-Micro Letters、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 Functional Materials等期刊发表高水平SCI论文20余篇，并获得授权发明专利3项。曾获得山东省材料科技成果奖（二等奖；第一完成人）。目前担任 Exploration 期刊学术编委。
